MARCO TEÓRICO:

INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTRODUCCIÓN

En la industria nos encontramos que la transferencia de calor está presente en todos los procesos, y es tal su importancia, que en ocasiones, la operación de una planta de manera económica depende directamente del uso adecuado de la energía térmica disponible en el proceso, o bien del diseño adecuado del equipo involucrado. Los servicios auxiliares más comunes en la industria, tales como el agua de enfriamiento, vapor, refrigeración, entre otros, implican necesariamente el uso de intercambiadores de calor, que manejados eficientemente permiten ahorrar energía.

Enfriar y calentar son operaciones vitales en la industria. Es necesario que los ingenieros mecánicos adviertan que los principios de la transferencia de calor son importantes para diseñar, seleccionar o mantener equipos de intercambio de calor. Los intercambiadores de calor son equipos que transfieren calor entre dos corrientes de un proceso. Por ejemplo, la generación de vapor se basa en el proceso de transporte de energía entre dos fluidos, los calentadores e enfriadores de gases y líquidos. Los I.C. son equipos importantes en instalaciones de procesos, centrales termoeléctricas, refinerías, etc.

CONDENSADORES

El condensador es básicamente un intercambiador de calor cuya función es disipar el calor extraído por el refrigerante en el evaporador hacia un medio condensante. Como resultado de la pérdida de calor del refrigerante hacia el medio condensante, este primero es enfriado hasta su temperatura de saturación y después condensado hasta su fase de estado líquido.

El medio condensante es utilizado en su gran mayoría es agua, aire o una combinación de ambos.

Los condensadores se clasifican generalmente en tres tipos, los cuales son enfriados por: Agua, aire y evaporativos.

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE

Estos condensadores pueden ser enfriados por convección natural o por la acción de un ventilador o soplador.

Los condensadores de convección forzada están equipados con ventiladores múltiples, los mismos que pueden ser de bastidor o remotos.

Un condensador enfriado por aire instalado en el mismos bastidor del compresor y motor, de tal manera que se constituye en un conjunto que se denomina: “UNIDAD CONDENSADORA”, enfriada

por aire; mientras que un condensador remoto generalmente se encuentra instalado remotamente del compresor.

CONDENSAORES ENFRIADOS POR AGUA

Los condensadores enfriados por agua admiten temperaturas y presiones de condensación bajas. Existen varios tipos:

DE DOBLE TUBO

En los condensadores de doble tubo, el agua circula a través del tubo interno mientras que el refrigerante fluye en dirección opuesta entre el espacio anular de los tubos.

Condensador enfriado por agua de doble tubo

DE CILINDRO Y SERPENTÍN

Los condensadores de cilindro y serpentín como se ilustra en la siguiente figura son fabricados de uno o más tubos aleteados encerrados en un cilindro de acero soldado, formando una unidad compacta que usualmente sirve como una combinación de condensador y recipiente dentro del circuito. El agua condensante fluye por el serpentín mientras que el refrigerante está contenido en el cilindro rodeando los serpentines.

Condensador enfriado por agua de cilindro y serpentin

ACORAZADOS

Los condensadores acorazados, están formados por un depósito cilíndrico de acero y un número determinado de tubos colocados paralelamente, los mismos que están unidos en sus extremos a un cabezal de tubos. El agua fluye a través de los tubos los cuales pueden ser de acero para el amoniaco y de cobre para otros refrigerantes; el refrigerante está contenido en el cilindro entre los cabezales del tubo.

Condensador acorazado

Los condensadores anteriormente descritos vienen instalados generalmente con una torre de enfriamiento con el propósito de recuperar el agua de condensación, regenerando su temperatura.

Las torres de enfriamiento se clasifican según el método de empleado para producir la circulación de aire entre las cuales tenemos: atmosféricas, convección natural y forzadas, siendo estas últimas las más utilizadas por su tamaño y alto rendimiento.

DISEÑO TERMICO

Esta fase se ocupa primordialmente de determinar el área de la superficie para transferir calor a una velocidad específica a determinados niveles, incluye la determinación de temperaturas, flujo másico, número de tubos, dimensiones, longitudes, etc.

Existen dos métodos de cálculo:

Método de la diferencia de temperatura media logarítmica

Método del número de unidades de transferencia de calor.

M É TODO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS MEDIA LOGAR Í TMICA, LMTD.

Este método consiste en determinar una expresión de la rapidez de transferencia de calor en un I. C.

relacionando las variaciones de la temperatura con respecto al área.

Para el análisis, consideremos el intercambiador de calor de doble tubo con flujo contracorriente.

dq=U dA (Tc−Tf )

dq=−mc ¿cc∗dTc=±m f c f dT f

dq=U dA [ (T c2−T f 1 )−(T c1−T f 2 ) ] / ln (T c2−T f 1 )/(T c1−T f 2)

q=U A(∆T B−∆T A)/ ln(∆T B/∆T A)

q=U AF(LMTD)

Donde F, es un factor de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD);

para el I.C. de doble tubo, evaporadores y condensadores F=l; para otros I.C. se encuentra en

figuras específicas.

M É TODO DEL N Ú MERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA DE CALOR, NTU.

Existen ocasiones en que no se conocen las temperaturas de los fluidos que salen del intercambiador de calor,

este tipo de problema suele encontrarse cuando se ha probado e equipo a una determinada velocidad de

flujo, pero las condiciones de servicio exigen diferentes velocidades para uno o ambos fluidos. Para obtener

una ecuación de la rapidez de transferencia de calor que no contenga ninguna de las temperaturas de salida

se introduce el término de la eficiencia del intercambiador de calor ().

La eficiencia de un intercambiador de calor es la relación entre el flujo de calor real y el flujo de calor máximo

que pudiera cederse o absorberse.

ε=qREAL/qMAX

El flujo de calor real, es la energía pérdida o ganada de uno de los fluidos:

qREAL=m∗c∗∆T

El flujo de calor máximo está relacionado con el flujo de fluido mínimo,

ya que, éste está más cerca de alcanzar la temperatura de entrada del

otro fluido, en el caso de un flujo en contracorriente.

qMAX=Cmin∗(T c1−Tf 1)

Donde Cm es el menor valor del producto: mc

La eficiencia de un intercambiador de calor puede determinarse con la

ayuda de las figuras específicas. Obsérvese que la relación:

CminCmax

=0Se aplica para un evaporador o condensador.