Intercambiador de Calor-Ramon Vega

U N I V E R S I D A D P O L I T E C N I C A D E Q U I N T A N A R O O .

Fenmenos de Transporte.

Alumno: Ramn Vega Vzquez.

Profesora: Ana maria Valenzuela Muiz.

Evidencia: Intercambiadores de calor.

Grupo: IB-522.

Alumno: Ramn Vega Vzquez. Asignatura: Fenmenos de transporte.

I n t e r c a m b i a d o r e s d e c a l o r .

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Contenido Introduccin. ................................................................................................................................... 2

Objetivo. .......................................................................................................................................... 2

Qu es un intercambiador de calor? ............................................................................................. 2

Tipos de intercambiadores de calor. ............................................................................................... 2

Tipos de intercambiadores. ......................................................................................................... 4

Coeficiente total de transferencia de calor. .................................................................................. 12

Factor de incrustacin. .................................................................................................................. 13

Diferencia media logartmica de temperatura (LMTD). ................................................................ 15

Efectividad (NTU). ......................................................................................................................... 17

Puntos a considerar en el diseo de un intercambiador de calor. ............................................... 20

Como disear un intercambiador de calor. .................................................................................. 21

Ejemplo de intercambiadores de calor utilizado industrialmente. ............................................... 22

Conclusin: .................................................................................................................................... 25

Referencias. ................................................................................................................................... 25



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Introduccin. En la vida diaria se encuentran muchas situaciones fsicas en las que es necesario

transferir calor desde un fluido caliente hasta uno fro con mltiples propsitos. Por ejemplo, ahorro de energa (combustible) lo que disminuye los costos de operacin; para llevar al fluido a una temperatura ptima, bien sea para un procesamiento posterior o para alcanzar condiciones de seguridad necesarias en el caso de transporte y/o almacenamiento. Para transferir calor existen una amplia variedad de equipos denominados intercambiadores de calor. La mayora de las industrias qumicas la trasmisin de calor se efecta por medio de intercambiadores de calor y el ms comn de todos es el formado por dos tubos concntricos, por uno de los cuales pasa el lquido a enfriar y por otro se hace circular la corriente refrigerante. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres dependiendo del tipo.

Objetivo. Es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera especfica en una determinada aplicacin. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en funcin del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Adems se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construccin: tubo y carcaza; placas, y se comparan estos. Se presentan tambin los intercambiadores de paso simple, de mltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Tambin se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor.

Qu es un intercambiador de calor? Es un aparato o dispositivo cuyo propsito es transferir energa (calor) de un fluido (liquido o gas) a otro por transferencia de energa por conduccin, conveccin o en algunos casos por radiacin. Los medios pueden estar separados por una pared slida, de modo que nunca se mezclen, o puedan estar en contacto directo. La funcin del intercambiador puede ser; calentar un fluido por medio de otra ms caliente, reducir la temperatura del mismo por medio de otro ms frio, hacerlo hervir por medio de un fluido ms caliente, condesar un fluido gaseoso por medio de otro ms frio, o hacer hervir un lquido mientras condesa un fluido gaseoso ms caliente. Sin embargo los fluidos con que se relaciona debern encontrase a diferentes temperaturas y el calor intercambiado puede fluir solamente del fluido ms caliente al ms frio. Se utilizan por ejemplo en calefaccin, refrigeracin, aire acondicionado, centrales elctricas, plantas petroqumicas, plantas qumicas, etc.

Tipos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor se clasifican de acuerdo con la direccin relativa del flujo de los lquidos:

Flujo paralelo: existe cuando ambos fluidos fluyen en la misma direccin, y los dos fluidos salen del intercambiador de calor a temperaturas casi idnticas, pero



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menores que la de entrada correspondiente al fluido ms caliente. Cuando cuyo objetivo es eliminar el calor latente de vaporizacin (esto es, convertir un vapor en lquido a la misma temperatura), el flujo paralelo es mejor debido a la mayor economa de su superficie de transferencia.

Ilustracin 1.- Flujo paralelo.

Reflujo: existe cuando los dos fluidos se mueven o fluyen en direcciones opuestas. En este tipo, el ms frio sale del intercambiador de calor a una temperatura que se acerca a la entrada del fluido ms caliente. Cuando se desea obtener la mxima temperatura del fluido calentado se emplea intercambiadores de este tipo.

Ilustracin 2.- Reflujo

Flujo cruzado: existe cuando un fluido fluye perpendicular, o casi, perpendicular al segundo, esto es, un fluido fluye a lo largo de los tubos y el otro transversalmente, como sucede en los condensadores de superficie modernos. Grandes volmenes de vapor se pueden condensar con este tipo de flujo, y las condiciones se controlan de manera que se elimine el calor latente de vaporizacin del fluido caliente. En este caso no hay contacto directo entre los dos fluidos en los tres tipos de flujo, siendo el calor transferido de un fluido a otro a travs de una superficie metlica o tubo.



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Ilustracin 3.- Flujo cruzado.

Algunos intercambiadores de calor pueden emplear la combinacin de flujo cruzado con el reflujo o flujo paralelo, como cuando un flujo se dirige mediante laminas deflectoras para que pase por un haz de tubos ms de una vez.

Tipos de intercambiadores. Los intercambiadores de calor se presentan en una imaginable variedad de formas y tamaos, como segn el proceso de transferencia, su construccin, su capacidad, su disposicin de flujo, su segn el mecanismo de transferencia y su aplicacin.

a) Intercambiador de contacto directo. a-a) Gas-slido. a-b) Fluido-fluido. a-c) Fluido-fluido en los que una fase puede disolverse en otra.

b) Intercambiador de contacto indirecto: a-a) Regenerativos. a-b) Recuperativos:

b-b-a) Una sola corriente. b-b-b) Dos corrientes en flujo paralelo. b-b-c) Dos corrientes en contracorriente b-b-d) Dos corrientes en flujo cruzado. b-b-e) Dos corrientes a pasos mltiples.

a) Intercambiadores de contacto directo: en los intercambiadores de contacto

directo sin almacenamiento de calor las corrientes contactan una con otra ntimamente, cediendo la corriente ms caliente directamente su calor a la corriente ms fra. Este tipo de intercambiador se utiliza naturalmente cuando las dos fases en contacto son mutuamente insolubles y no reaccionan una con otra. Por consiguiente, no puede utilizarse con sistemas gas-gas.

Los intercambiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos. En primer lugar, se tienen los intercambiadores gas-slido:



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Ilustracin 4.- Intercambiadores de contacto directo gas-lquido sin almacenamiento de calor.

Los intercambiadores fluido-fluido, en los que los dos fluidos en contacto son mutuamente inmiscibles.

Ilustracin 5.- Intercambiadores de contacto directo fluido-fluido sin almacenamiento de calor.

Finalmente, no siempre es necesario que los dos fluidos en contacto sean mutuamente insolubles, y los intercambiadores donde uno de los fluidos circulantes se disuelven en el otro. En particular, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto directo es de gran importancia ya que justo una de las fases (agua) se disuelve, o evapora, en la otra fase (aire). La torre de enfriamiento de agua, es un ejemplo de este tipo, y de hecho representa el tipo ms ampliamente utilizado de intercambiador de calor en la industria.



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Ilustracin 6.-Intercambiador de calor de contacto directo fluido-fluido en los que una fase

El tratamiento adecuado de este tipo de intercambiador requiere la utilizacin de los mtodos de transferencia simultneamente de calor y materia, y va ms all del objetivo de este volumen.

b) Contacto indirecto: En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a travs de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cuando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido fro, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fra es alternado; como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fra, a travs de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores; stos son los ms usados a nivel industrial.

b-a) Regenerativos: En los regenerativos una corriente caliente de un gas transfiere su calor a un cuerpo intermedio, normalmente un slido, que posteriormente cede calor almacenado a una segunda corriente de un gas fro.



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El tubo de calor transporta calor muy eficazmente desde un lugar a otro, y puesto que la resistencia principal a la transmisin de calor est en los dos extremos del tubo, donde el calor se toma y cede, se utilizan normalmente tubos con aletas en estas zonas. El fluido del tubo que hierve en un extremo y condensa en el otro acta transportando el calor con una circulacin de ida y vuelta.

Ilustracin 8.- El tubo con aletas de calor transporta calor desde un sitio a otro, con frecuencia bastante apartado.

Ilustracin 7.- Regeneradores de calor o intercambiadores con almacenamiento de calor: a) los slidos que almacenan el calor estn quietos; b) los slidos que almacenan el calor circulan entre las corrientes paralelas caliente y fra.



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Conseguir un intercambio de calor en contracorriente de gases y lquidos no es problema, pero para dos corrientes de slidos no es un caso fcil. Se puede utilizar un intercambiador de calor en contracorriente de dos corrientes de slidos, utilizando corriente lquida de ida y vuelta.

Ilustracin 9.- Intercambiador de calor slido-slido en contracorriente, que utiliza un lquido de ida y vuelta.

b-b) Recuperativos: Existen diversas configuraciones geomtricas de

flujo posibles en un intercambiador, las ms importante son:

Ilustracin 10.- Esquemas de configuraciones geomtricas de flujo comunes para intercambiadores de calor recuperativos.



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b-b-a) Una sola corriente: La configuracin de una sola corriente se define como un intercambiador en el que cambia la temperatura de un solo fluido; en este caso la direccin del flujo carece de importancia. Los condensadores, evaporadores y las calderas de vapor son ejemplos de este tipo de intercambiadores. En la Fig. 10 (a) se ilustra un condensador simple.

b-b-b) Dos corrientes en flujos paralelos: Los dos fluidos fluyen en direcciones paralelas y en el mismo sentido. En su forma ms simple, este tipo de intercambiador consta de dos tubos concntricos, como muestra la Fig. 10 (b). En la prctica, un gran nmero de tubos se colocan en una coraza para formar lo que se conoce como intercambiador de coraza y tubos. El intercambiador de coraza y tubos se usa ms frecuentemente para lquidos y para altas presiones.

Ilustracin 11.- Intercambiador de calor de coraza y tubos de dos pasos por tubos y un paso por coraza. El primer paso

por tubos se efecta en flujos paralelos y el segundo en flujo a contracorriente.

El intercambiador tipo placas consiste en varias placas separadas por juntas y resulta ms adecuado para gases a baja presin. Esta configuracin se conoce tambin como intercambiador de corrientes paralelas.



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b.b.c) Dos corrientes en contracorriente: Los fluidos se desplazan en direcciones paralelas pero en sentido opuesto. En la fig. 10 (c) se muestra un intercambiador simple de tubos coaxiales, pero, como en el caso del intercambiador de corrientes paralelas, los intercambiadores de coraza y tubos o de placas son los ms comunes. La efectividad de un intercambiador de corriente es mayor que la del intercambiador en contracorriente. Los precalentadores de agua de alimentacin para calderas y los enfriadores de aceite para aviones son ejemplos de este tipo de intercambiadores de calor. Esta configuracin se conoce tambin como intercambiadores de contracorriente. b.b.d) Dos corrientes en flujo cruzado: Las corrientes fluyen en direcciones perpendiculares. La corriente caliente puede fluir por el interior de los tubos de un haz y la corriente fra puede hacerlo a travs del haz en una direccin generalmente perpendicular a los tubos. Una o ambas corrientes pueden estar sin mezclarse. Esta configuracin tiene una efectividad intermedia entre la de un intercambiador de corriente paralela y la de uno en contracorriente, pero a menudo su construccin es mas sencilla debido a la relativa simplicidad de los conductos de entrada y de salida. Un ejemplo comn de este tipo de intercambiador es el radiador de automvil.

Ilustracin 12.- Intercambiador de calor tipo placas.



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Ilustracin 13.-Radiador de automvil, dos corrientes en flujo corriente.

b.b.e) Dos corrientes en contraflujo cruzado: las configuraciones de flujo de los intercambiadores se aproximan a menudo a las idealizaciones de la Fig. 10 (e); se muestran los casos de dos pasos y de cuatro pasos, aunque puede usarse un nmero mayor de pasos.(En un intercambiador de dos pasos los tubos pasan dos veces por la coraza). Conforme aumenta el nmero de pasos, la efectividad se aproxima a la de un intercambiador de corriente ideal.

Ilustracin 14.- Ejemplo de dos corrientes contraflujo cruzado.

b.b.f) Dos corrientes a pasos mltiples. Cuando los tubos de un intercambiador de coraza y tubos estn dispuestos en uno o ms pasos en el interior de la coraza, como muestra la Fig. 10 (f), algunos de los pasos producen un flujo paralelo mientras que otros producen un flujo a contracorriente. El intercambiador de dos pasos de este tipo es comn porque slo es necesario perforar uno de los extremos para permitir la entrada y salida de los tubos.



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Ilustracin 15.-Ejemplo de dos corrientes a pasos mltiples.

Coeficiente total de transferencia de calor. En transferencia de calor se determina el valor del coeficiente total de transmisin, tanto para el caso de pared plana, como cilndrica o esfrica, as como en el caso de tubo aleteado; En un intercambiador se tienen dos flujos de fluido, uno con mayor temperatura que el otro, el calor se transfiere del fluido caliente al fluido fro a travs de cinco resistencias trmicas principales: 1.- Resistencia de capa convectiva de lado del fluido con mayor temperatura, donde o: Eficiencia modificada de aleta:

2.- Resistencia en el lado caliente por suciedad debido a la acumulacin de residuos de materiales indeseables en la superficie de intercambio de fluido caliente:

3.- Resistencia del material del intercambiador, el cual presenta una conductividad trmica finita y que toma un valor en funcin del tipo de intercambiador:



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donde m es el espesor del metal, Sm es el rea de superficie del metal, y nt es el nmero de tubos. 4.- Resistencia en el lado fro por suciedad:

5.- Resistencia de capa convectiva de lado del fluido con menor temperatura:

El conjunto de resistencias listadas en las ecuaciones anteriores se encuentran en serie y la resistencia total se puede representar por:

Donde, por el momento las literales U y S del lado derecho de la ecuacin anterior no tienen asignado ningn subndice. Donde, por el momento las literales U y S del lado derecho de la ecuacin anterior no tienen asignado ningn subndice.

Tal que es una ecuacin general y se puede especificar en trminos de la superficie de referencia seleccionada. S el espesor del metal es pequeo y la conductividad trmica del metal empleado es grande, la resistencia trmica del metal es despreciable y la ecuacin anterior se reduce a:

Factor de incrustacin.

Tras un perodo de funcionamiento, las superficies de transferencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depsitos presentes en las corrientes, o las superficies pueden corroerse como resultado de la interaccin entre los fluidos y el material empleado en la fabricacin del cambiador de calor. En cualquier de los casos, esta capa supone una resistencia adicional al flujo de calor y, por tanto, una disminucin de sus prestaciones. El efecto global se representa generalmente mediante un factor de incrustamiento, o resistencia de suciedad, Rf, que debe incluirse junto con las otras resistencias trmicas para obtener el coeficiente global de transferencia de calor.



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Los factores de suciedad se tienen que obtener experimentalmente, mediante la determinacin de los valores de U del cambiador de calor tanto en condiciones de limpieza como de suciedad. El factor de suciedad se define:

Estos factores de incrustamiento, Rf, son resistencias trmicas unitarias y por lo tanto, cuando vayan a emplearse hay que tener en cuenta el tamao del rea superficial.

Debido a que tanto las superficies calientes como las fras pueden ensuciarse, debemos modificar la ecuacin del coeficiente total de transferencia de calor segn la ecuacin anterior. Los valores representativos de la resistencia por incrustamiento. Es claro que la variacin temporal del problema del ensuciamiento hace que sea muy difcil estimar confiablemente el valor de U cuando predominan las resistencias por inclustamiento.

Tabla 1.- Valores representativos de U.



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Tabla 2.- Valores representativos del Factor de Incrustamiento Rf.

Diferencia media logartmica de temperatura (LMTD). Un mtodo de obtencin de la diferencia media de temperatura en cambiadores de calor, esta diferencia media de temperatura, que multiplicada por el coeficiente global real medio y por el rea de intercambio permite obtener el flujo de calor intercambiado, es logartmicamente un valor promedio de las diferencias de temperatura entre el fluido caliente y el fro en cada seccin del cambiador, cuando se considera toda la longitud de ste, estando, por tanto, comprendida entre los valores extremos que alcancen estas diferencias en el interior del cambiador, valores extremos, que como se desprende de la simple observacin de las curvas de distribucin de temperatura.

Tabla 3.- Distribucin de temperatura en un intercambiador de dos corrientes en contracorriente.

El flujo de calor en un elemento diferencial del intercambiador ser:



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Sustituyendo la ecuacin que representa la diferencia de temperatura, e integrando entre L y 0 se obtiene el flujo de calor desde el fluido caliente al fro.

Integrando la expresin y operando resulta:

Despejando de la ecuacin anterior Q=, el denominador de la ecuacin Tc-Tf=, para el valor de x igual a L resulta:

Expresin que indica que el termino la ecuacin anterior representa la diferencia media buscada, recibiendo el nombre de diferencia logartmica media de temperatura (LDMT), representndose porTlm.

Si la deduccin se hubiera realizado partiendo de un cambiador en contracorriente, el resultado matemtico habra sido totalmente semejante, encontrndose la misma



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expresin matemtica de la ecuacin anterior para la diferencia logartmica media del cambiador en contracorriente, siendo tambin en ella T1, T2, las diferencias terminales, en el caso de flujo en equicorriente.

Tabla 4.- Distribucin de temperatura en un intercambiador de dos corrientes en equicorriente.

Efectividad (NTU).

Cuando hay que evaluar las temperaturas de entrada o salida de un cambiador determinado, el anlisis supone con frecuencia un procedimiento iterativo, debido a la funcin logartmica que aparece en la LMTD. En estos casos, el anlisis se efecta con mayor facilidad utilizando un mtodo basado en la efectividad del intercambiador durante la transferencia de una cantidad de calor determinada. El mtodo del nmero de unidades de transmisin tambin ofrece muchas ventajas para el anlisis de problemas en los que hay que comparar varios tipos de cambiadores de calor, con el fin de seleccionar el tipo ms adecuado para cubrir un objetivo detransferncia de calor en particular. La expresin numero de unidades de transmisin, fue introducido por Nusselt, siendo Kayes y London quienes desarrollaron extensamente su aplicacin. El flujo de calor intercambiado por cada grado diferencia de temperatura, ser evidentemente.

Por otra parte, el flujo de calor intercambiado, por grado de elevacin o disminucin de temperatura en los fluidos ser respectivamente:



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El nmero adimensional denominado Nmero de Unidades de Transmisin (N.T.U.) ser el cociente UA y el valor mCp menor de los dos que intervienen en el intercambiador, es decir:

Generalizando las expresiones de R y P empleadas anteriormente de la forma siguiente:

Y reordenando las ecuaciones, se puede escribir:



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Se determinar la efectividad de un intercambiador en contracorriente, para ello

remplazamos en la ecuacin x por L:

Si se supone que mfCpf< mcCpc la ecuacin anterior se puede escribir:

Sustituyendo en la ecuacin anterior Tcs y reordenando resulta.

Operando en la ecuacin anterior resulta:

Despejando de la ecuacin anterior la eficiencia del intercambiador resulta:



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Kays y London, han representado relaciones entre la efectividad de varios intercambiadores de calor, y algunos de esos resultados se representan de forma de graficos:

Tabla 5.-Relacin entre la efectividad y el NUT en un intercambiador de calor en contracorriente. Relacin entre la

efectividad y el NUT en un intercambiador de calor en equicorriente.

El mtodo del nmero de unidades de transmisin tiene su principal aplicacin en el caso de disponer de un cambiador de calor determinado, del que se conocen sus datos fsicos, (configuracin geomtrica, rea de intercambio, coeficiente global de transmisin), y en el que se introducen dos fluidos de caudales conocidos, desendose determinar las temperaturas de salida de ambos fluidos as como el flujo de calor intercambiado.

Puntos a considerar en el diseo de un intercambiador de calor.

Se debe fijar la situacin de los fluidos, ya sea por el interior de los tubos, o por el exterior. Para poner un fluido por el interior o exterior de los tubos, se ha de tener en cuenta el poder de ensuciamiento y lo corrosivos que son los productos a circular, es decir la posibilidad de limpieza, colocando el fluido que sea capaz de ensuciar ms, por el interior de los tubos. Hay que tener en cuenta el cociente de caudales y el de las secciones de paso en el haz y en la carcasa, poniendo, al que tenga mayor caudal, en la seccin mayor. Si los caudales



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son desproporcionados, se deber prever el caudal menor por el interior del haz, aumentando el nmero de pasos por el lado de los tubos, con el fin de obtener un nmero de Reynolds razonable. Como regla general son intercambiadores de construccin poco costosa y permiten alojar el mximo de tubos en el interior de la envoltura, en dimensiones menores 24 la carcasa se suele ejecutar con tubo y por encima con chapa curvada y soldada. Tienen problemas de utilizacin cuando la diferencia de temperatura entre fluido fro y caliente es grande, por las dilataciones o contracciones del haz respecto a la carcasa.

Como disear un intercambiador de calor. Las dimensiones de un intercambiador de calor no estn determinadas nicamente por consideraciones de transferencia de calor, para fijar las dimensiones globales y el nmero de placas del intercambiador es necesario tomar en cuenta otras restricciones. Los problemas usuales de diseo de intercambiadores de calor consisten en idear una unidad con un rendimiento dado en cuanto a transferencia de calor, es decir, una efectividad dada, sujeto a ciertas restricciones, por ejemplo: (1) bajo costo de capital. (2) bajo costo de operacin (3) limitaciones en cuanto a tamao, forma peso (4) facilidad de mantenimiento. La porcin ms importante del costo de operacin puede deberse a la potencia necesaria para bombear los fluidos. Para los lquidos la potencia suele ser ms bien baja, por lo que no afecta significativamente el diseo. En el caso de los gases, la potencia requerida por unidad de masa de fluido de trabajo es muy grande, por lo que a menudo constituye una importante restriccin del diseo. La potencia de bombeo es simplemente el producto de la velocidad volumtrica de flujo por la cada de presin, dividido entre la eficiencia de soplado, As, la necesidad de reducir el costo de operacin se traduce, a nivel del diseo, en una limitacin sobre la cada de presin. En general, el ingeniero es libre de elegir la configuracin del intercambiador (contracorriente, flujo cruzado, pasos mltiples, etc.), el tipo de superficie de transferencia de calor (tubos coaxiales, placas y aletas, haces de tubos, etc.) y las dimensiones caractersticas de la superficie (dimetro de los tubos, separacin en un haz de tubos, etc.). Para obtener una cada de presin baja se requiere una seccin transversal de flujo de gran rea, aunque tambin es importante seleccionar de manera adecuada la configuracin y la superficie de transferencia de calor. La siguiente es una posible estrategia de diseo: 1) Especificar la eficiencia de transferencia de calor requerida. 2) Especificar la cada de presin permisible de una de las corrientes o de ambas. 3) Seleccionar una configuracin.



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4) Seleccionar un tipo de superficie de transferencia de calor. 5) Seleccionar las dimensiones de la superficie. 6) Calcular las dimensiones resultantes de la unidad. 7) Evaluar el diseo respecto a factores como el coste de capital, el tamao, el peso y la facilidad de mantenimiento.

Pueden ser que las dimensiones obtenidas en el paso nmero 6 no sean nicas. Adems, en algunas configuraciones, como la de tubos coaxiales, las dimensiones de la superficie de transferencia estn determinadas por las restricciones de transferencia de calor y de cada de presin. El principal problema de diseo de un intercambiador de calor consiste en hacerlo ptimo, para lo cual se dispone de diversos mtodos matemticos y computacionales avanzados. En todo proyecto serio se deben utilizar estos mtodos. Sin embargo, antes de valerse de esta compleja herramienta debe poseer una clara comprensin de algunos conceptos fundamentales del proceso de diseo.

Ejemplo de intercambiadores de calor utilizado industrialmente.

El evaporador es la nica parte del equipo de refrigeracin que interviene directamente en las operaciones de procesado de los alimentos. El calor pasa desde el alimento hasta el medio de transmisin de calor, que puede ser aire o lquido, luego pasa al evaporador y despus al refrigerante. El acoplamiento trmico es en algunos casos directo, como en una congeladora de placas, en la que el alimento a circula el refrigerante. Otro ejemplo familiar de acoplamiento trmico directo es la bandeja refrigerada de muchos exhibidores de alimentos. Sin embargo, generalmente el medio de transmisin de calor es el aire, que se mueve mediante circulacin natural o forzada entre la fuente de calor, es decir, el alimento y las paredes calentadas por el aire exterior, y el receptor de calor que es el evaporador. A veces el medio de transmisin de calor es un lquido, como en el caso de la congelacin por inmersin en propilen glicol o en mezclas de alcohol agua. Hay algunos casos en los que el refrigerante es el medio, tal como en la inmersin o pulverizacin con nitrgeno lquido y la inmersin en hidrocarburos halogenados lquidos: en el primer caso, el nitrgeno evaporado es desechado, pero en el segundo, el medio debe ser recondensado debido a su alto costo. A veces hay otro medio de transmisin de calor intermedio, para conseguir un mejor control, ms comodidad o mayor seguridad. Esto es lo que ocurre en algunos enfriadores de leche cuyo refrigerante bsico es el amoniaco, que enfra al propilen glicol que se bombea a travs de un intercambiador de calor para enfriar la leche. En la figura siguiente se representan algunos tipos de evaporadores.



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En los congeladores o enfriadores las velocidades de transmisin de calor, desde el alimento hasta el evaporador, dependen de la velocidad del fluido y de la diferencia de temperatura. A partir de las relaciones de transmisin de calor clsicas pueden calcularse los valores de los respectivos coeficientes de transmisin de calor. En la tabla siguiente se dan algunos valores tpicos que se encuentran en un equipo de congelacin.

Las diferencias de temperatura a lo largo de los evaporadores son generalmente del orden de 3 a 10 C. La transferencia de calor se calcula segn los mtodos ya discutidos anteriormente, considerando a los evaporadores como intercambiadores de calor refrigeranteaire. Las superficies de los evaporadores se aumentan con frecuencia por medio de aletas metlicas soldadas a la superficie del tubo evaporador. La razn es que las conductancias relativamente elevadas del metal comparadas con las mucho menores conductancias superficiales de la superficie del metal al aire, mantienen la superficie de la aleta prcticamente a la misma temperatura del serpentn. La ligera elevacin de la temperatura en la aleta se toma en cuenta incluyendo en los clculos un factor de eficiencia de la aleta. Con ello, el rea efectiva del evaporador se calcula con la expresin:



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A = Ap + fAs

en la que A es el rea superficial equivalente del evaporador total, Ap el rea superficial del serpentn, tambin llamada superficie primaria, As el rea superficial de las aletas, tambin denominada superficie secundaria, y f es el eficiencia o rendimiento de las aletas. Los valores de f suelen ser de 65 a 95 % en los diseos corrientes. Por ltimo, en la figura siguiente se muestra un esquema simplificado de los circuitos de amonaco y de agua de enfriamiento que se usan ms frecuentemente en la actualidad en la refrigeracin industrial.



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Conclusin:

La eficiencia ptima de un intercambiador de calor requiere, de un buen diseo y una apropiada

seleccin de los materiales para su fabricacin. Para lograr esto, es conveniente contar con una

metodologa, puesto que la investigacin cientfica se define como la serie de pasos que conducen

a la bsqueda de conocimientos o desarrollo de proyectos cientficos y tecnolgicos aplicando

mtodos y tcnicas. El mtodo para el desarrollo del conocimiento cientfico es un procedimiento

riguroso, de orden lgico, con el propsito de demostrar una teora o resolver un problema

prctico.

Referencias.

Fundamentos de transferencia de calor. Frank P. Incropera, David P. Dewitt 1999.

Manual para el clculo de intercambiadores de calor y bancos de tubos aleteados. Yevgen Pyzmennyy 2007.

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Intercambiadores de calor - c.i.e. cie unam m o s pub eat c an er ntercambiadores pdf

Intercambiadores de calor (conceptos) - ITESCAM itescam edu m principal sylabus fpdb recursos r 34

Welty, J. R., C. E. Wicks y R. E. Wilson, Fundamentos de Transferencia

de Calor, Masa y Momento, Editorial Limusa, Mxico (1991).

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