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Intercambiadores de calor.
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INTERCAMBIADORES DE CALOR.
Maldonado Sampedro, Byron Josué [email protected] Cedeño Plaza, Miguel Ángel [email protected]
Fernández Sánchez, José Miguel [email protected]
RESUMEN: Para que se produzca transferencia
de calor entre dos o más sistemas es necesario que
estos se encuentren a diferentes temperaturas y que
el calor se transfiera en una sola dirección, es
decir del cuerpo de mayor temperatura al de
menor temperatura. Para conseguir esto se debe
utilizar ciertos dispositivos conocidos como
intercambiadores de calor. Los intercambiadores
de calor son los dispositivos que permiten la
transferencia de calor de un lugar a otro,
generalmente en los sistemas mecánicos, químicos,
nucleares, etc. El objetivo de este ensayo es
presentar los distintos tipos de intercambiadores
de calor, como dispositivos que permitan de
manera específica la aplicación requerida.
PALABRAS CLAVE: Caloportador: Fluido que
transporta calor de un lugar a otro por
conducciones; Flujo másico: Es la cantidad de
masa que fluye a través de las fronteras del sistema
por unidad de tiempo; Intercambiador: Equipo de
transferencia de calor cuya función es cambiar la
entalpia de una corriente; Temperatura:
Caracteriza el estado térmico de un cuerpo o un
sistema.
1 INTRODUCCIÓN
En la vida diaria se encuentran varias situaciones
físicas en las cuales es necesario una transferencia
de calor desde un fluido de mayor temperatura a
uno de menor temperatura con múltiples
propósitos, bien sea para cumplir un proceso o para
alcanzar condiciones de seguridad necesarias en el
caso de transporte o almacenamiento. Para
transferir calor existen una gran variedad de
dispositivos denominados intercambiadores de
calor. Un intercambiador de calor es un dispositivo
que permite la transferencia de calor de un fluido
generalmente por conducción y convección
dependiendo la necesidad.
2 INTERCAMBIADORES DE CALOR.
Bajo la denominación general de intercambiadores
de calor, o a veces llamados cambiadores de calor,
se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados
para transferir energía de un medio a otro, sin
embargo, en lo que sigue se hará referencia única y
exclusivamente a la transferencia de energía entre
fluidos por conducción y convección, debido a que
el intercambio térmico entre fluidos es uno de los
procesos más frecuente e importante en la
ingeniería.
Como su nombre indica, los intercambiadores de
calor son dispositivos donde dos corrientes de
fluido en movimiento intercambian calor sin
mezclado. Los intercambiadores de calor se usan
ampliamente en varias industrias y su diseño es
variado.
Un intercambiador típico es el radiador del
motor de un automóvil, en el que el
fluido Caloportador, calentado por la acción del
motor, se enfría por la corriente de aire que fluye
sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del
motor volviendo a circular en el interior del mismo.
El mecanismo de funcionamiento de los
intercambiadores de calor, que logran una
separación total entre los dos fluidos sin que se
produzca ningún almacenamiento intermedio de
calor, se conoce como recuperador.
Los intercambiadores de calor pueden ser usados
por las siguientes razones:
• Calentar un fluido frío mediante un fluido con
mayor temperatura.
• Reducir la temperatura de un fluido mediante un
fluido con menor temperatura.
• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante
un fluido con mayor temperatura.
Intercambiadores de calor.
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• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio
de un fluido frío.
• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras
se condensa un fluido gaseoso con mayor
temperatura.
2.1 DISEÑO.
La estructura lógica para el proceso de diseño de
un intercambiador de calor puede ser la siguiente:
Diseño térmico.
En el diseño térmico se analizan las áreas de
transferencia de calor necesarias para el correcto
intercambio de energía de un fluido caliente
(vapor) hacia otro frio (aire) y así obtener los
requerimientos deseados.
Diseño hidráulico.
El diseño hidráulico establece la caída de presión
que sufren los fluidos, y asegura que se encuentre
dentro de rangos permisibles que permitan el
correcto funcionamiento del equipo.
Diseño mecánico.
Para el diseño mecánico se debe hacer uso de
códigos y normas de equipos a presión. Se debe
considerar las condiciones de operación, la presión
y temperatura de los fluidos que intercambian calor
son de gran importancia para el diseño mecánico
del intercambiador.
2.2 TIPOS DE INTERCAMBIADORES.
Si bien los intercambiadores de calor se presentan
en una inimaginable variedad de formas y tamaños,
a continuación especificamos cada uno de ellos.
2.2.1 SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN:
De Carcaza y tubo: Consiste en un conjunto de
tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo
de fluido dentro de los tubos se le denomina
comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el
interior del contenedor como fluido de carcaza o
fluido externo. En los extremos de los tubos, el
fluido interno es separado del fluido externo de la
carcasa por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se
sujetan o se sueldan a una placa para proporcionar
un sello adecuado. En sistemas donde los dos
fluidos presentan una gran diferencia entre sus
presiones, el líquido con mayor presión se hace
circular típicamente a través de los tubos y el
líquido con una presión más baja se circula del lado
de la cáscara.
Figura 1. Intercambiador de calor de carcaza y tubo.
De Plato: Consiste de placas en lugar de tubos para
separar a los dos fluidos caliente y frío Los líquidos
calientes y fríos se alternan entre cada uno de las
placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre
las placas. Ya que cada una de las placas tiene un
área superficial muy grande, las placas proveen un
área extremadamente grande de transferencia de
térmica a cada uno de los líquidos .Por lo tanto, un
intercambiador de placa es capaz de transferir
mucho más calor con respecto a un intercambiador
de carcaza y tubos con volumen semejante, esto es
debido a que las placas proporcionan una mayor
área que la de los tubos. Generalmente este
intercambiador se ha utilizado solamente para
aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy
alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite
para máquinas.
Figura 2. Intercambiador de calor de plato.
Intercambiadores de calor.
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2.2.2 SEGÚN SU OPERACIÓN:
Flujo paralelo: Existe un flujo paralelo cuando el
flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de
la carcasa ambos fluyen en la misma dirección. En
este caso, los dos fluidos entran al intercambiador
por el mismo extremo y estos presentan una
diferencia de temperatura significativa y como el
calor se transfiere del fluido con mayor
temperatura hacia el fluido de menor temperatura,
la temperatura de los fluidos se aproximan la una a
la otra, es decir que uno disminuye su temperatura
y el otro la aumenta tratando de alcanzar el
equilibrio térmico entre ellos.
Figura 3. Sentido del flujo en el intercambiador de flujo
paralelo.
Contraflujo: Se presenta contraflujo cuando los
dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en
sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al
intercambiador por diferentes extremos ya que el
fluido con menor temperatura sale en contraflujo
del intercambiador de calor en el extremo donde
entra el fluido con mayor temperatura, la
temperatura del fluido más frío se aproximará a la
temperatura del fluido de entrada. Este tipo de
intercambiador\ resulta ser más eficiente que los
otros dos tipos mencionados anteriormente.
Figura 4. Sentido de flujo en el intercambiador de contraflujo.
De un solo paso (o paso simple) y de múltiple
pasos: Un método que combina las características
de dos o más intercambiadores y permite mejorar el
desempeño de un intercambiador de calor es tener
que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un
intercambiador de paso simple.
Cuando los fluidos del intercambiador
intercambian calor más de una vez, se denomina
intercambiador de múltiple pasos. Sí el fluido sólo
intercambia calor en una sola vez, se denomina
intercambiador de calor de paso simple o de un
solo paso.
Figura 5. Arriba (intercambiador de paso simple), Abajo
(intercambiador de múltiples pasos)
2.2.3 SEGÚN SU FUNCIÓN EN UN SISTEMA
Regenerativos y No-regenerativos: Es importante
recordar que estos términos sólo se refieren a
"cómo" funciona el intercambiador de calor en un
sistema y no indica el tipo de intercambiador como
por ejemplo carcaza y tubo, plato, flujo paralelo,
contraflujo etc.
Figura 6. Intercambiador de calor regenerativo.
Intercambiadores de calor.
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Los intercambiadores regenerativos son
comúnmente utilizados en sistemas con
temperaturas altas donde una porción del fluido del
sistema se remueve del proceso principal y éste es
posteriormente integrado al sistema. Ya que el
fluido que es removido del proceso principal
contiene energía, el calor del fluido que abandona
el sistema se usa para recalentar el fluido de
regreso en lugar de expeler calor hacia un medio
externo más frío lo que mejora la eficacia del
intercambiador.
Figura 7. Intercambiador de calor no regenerativo.
2.2.4 SEGÚN SU PROCESO DE
TRANSFERENCIA:
De Contacto Directo: En este intercambiador el
calor es transferido por contacto directo entre dos
corrientes en distintas fases generalmente un gas y
un líquido de muy baja presión de vapor fácilmente
separable después del proceso de transferencia de
energía.
Figura 8. Intercambiador de contacto directo.
De Contacto Indirecto: En este caso las corrientes
separadas y la transferencia de calor se realiza a
través de una pared divisoria o desde el interior
hacia el exterior de la pared de forma no continua
en el caso que el flujo sea intermitente el calor se
almacenara primero en la superficie del equipo y
luego se transmitirá al fluido frio se denominara
intercambiador de almacenaje o regenerador.
Figura 9. Intercambiador de contacto indirecto.
NOTA: En la actualidad, la mayoría de los
intercambiadores de calor no son puramente de
flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos
son comúnmente una combinación de los dos o tres
tipos de intercambiador.
3 CONCLUSIONES:
-La razón para combinar varios tipos de
intercambiadores en uno solo, es maximizar la
eficacia del mismo dentro de las restricciones
propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso,
eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y
presiones de operación, que permiten establecer la
complejidad del intercambiador.
- En un intercambiador de calor se debe realizar
paulatinamente un mantenimiento, ya que si no se
realiza el mismo pueden producirse problemas con
su funcionamiento.
-Existe la posibilidad de utilizar la Segunda Ley de
la Termodinámica como herramienta de
comparación entre superficies de intercambio de
calor, en el caso de los intercambiadores de calor,
cuando se quiere evaluar el desempeño de los
mismos desarrollando diversas aplicaciones.
Intercambiadores de calor.
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4 REFERENCIAS
[1] O. A. Jaramillo Centro de Investigación en Energía.
Universidad Nacional Autónoma de México November 20
2007,
Fuente:https://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=
s&source=web&cd=5&cad=rja&uact=8&ved=0CDYQFjAE&
url=http%3A%2F%2Fwww.cie.unam.mx%2F~ojs%2Fpub%2
FHeatExchanger%2FIntercambiadores.pdf&ei=qHPBVKvzCI
mggSwnILoAw&usg=AFQjCNGf8f28couILcZXhGnqIwKW
Fc6-ig&bvm=bv.83829542,d.eXY
[2]…https://www.facebook.com/l.php?u=https%3A%2F%2Fal
ojamientos.uva.es%2Fguia_docente%2Fuploads%2F2011
%2F447%2F42501%2F1%2FDocumento15&h=kAQHlID
sA
[3]…http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S18155944201100030
0002&script=sci_arttext
[4] Briseño M. I. (2005) “Dimensionamiento de
Intercambiadores de Calor Tubulares” Universidad de los
Andes, Mérida Venezuela.
[5] Romano G. (1979) Cambiadores de Calor. Soluciones
prácticas tomo 3. España. Ediciones URMO S.A.
