Intercambiadores de Calor. Transferencia de Calor 1 Intercambiadores de Calor. Los intercambiadores de calor son aparatos que permites el intercambio de calor entre dos fluidos, sin permitir que se mezclen entre si. En un intercambiador la transferencia de calor suele comprender convección en cada uno de los fluidos y conducción a través de la pared que los separa. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores se fabrican en diversos tipos, siendo el mas simple el de tubo doble. doble Transferencia de Calor 2 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. Para tubo doble tipo de flujo paralelo, paralelo tanto el fluido caliente como el frió entra al intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección. Transferencia de Calor 3 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. En tanto tubo doble del tipo contraflujo los fluidos caliente y frió entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas. Transferencia de Calor 4 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. En los intercambiadores compactos los dos fluidos se mueven perpendiculares entre si y esa configuración de los flujos se le llama de flujo cruzado. cruzado Transferencia de Calor 5 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. (a) Tubos con aletas. (tubos planos, Aletas de placa continua). (b) Tubos con aletas. (tubos circulares, aletas circulares). (c) Tubos con aletas. (tubos circulares, aletas de placa continua). Transferencia de Calor 6 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. (d) Aletas de Placa (un solo paso). (e) Aletas de Placa (multiplazo). Transferencia de Calor 7 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. Otro tipo común de intercambiador que se encuentran en las aplicaciones industriales son los de tubos y coraza. coraza Transferencia de Calor 8 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. Transferencia de Calor 9 Intercambiadores de Calor. Tipos de Intercambiadores de Calor. Transferencia de Calor 10 Intercambiadores de Calor. COEFICIENTE GLOBAL. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor total U o una resistencia térmica total R expresada como, 1 1 1 →R = = = U ⋅ A Ui ⋅ Ai Uo ⋅ Ao Transferencia de Calor 11 Intercambiadores de Calor. Coeficiente Global. en donde los subíndices i y o se refieren a las superficies interior y exterior de la pared que separa los dos fluidos, respectivamente. 1 1 R= + R pared + hi ⋅ Ai h o ⋅ Ao 1 1 1 → =R= + R pared + U⋅A h i ⋅ Ai ho ⋅ Ao ∆T & Q= = U ⋅ A ⋅ ∆T R Transferencia de Calor 12 Intercambiadores de Calor. Coeficiente Global. Cuando el espesor de la pared del tubo es pequeño y la conductividad del material del tubo es elevada (Rpared ≈ 0), y la superficie interior y exterior del mismo son casi idénticas (A ≈ Ai ≈ Ao), la ultima relación se simplifica para quedar (U ≈ Ui ≈ Uo), 1 1 1 ≈ + U hi ho Transferencia de Calor 13 Intercambiadores de Calor. Coeficiente Global. Transferencia de Calor 14 Intercambiadores de Calor. Coeficiente Global. Cuando el tubo tiene aletas en uno de los lados para mejorar la transferencia de calor, el área superficial para la transferencia de calor total en ese lado queda, A = ηAleta ⋅A Aletas + A sinAletas Factor de Incrustación. Los efectos de la incrustación tanto sobre la superficie interior como sobre la exterior de los tubos de un intercambiador de calor se pueden tomar en cuenta por medio de, Transferencia de Calor 15 Intercambiadores de Calor. Coeficiente Global. R f,i R f,o 1 1 R= + + R pared + + h i ⋅ Ai Ai A0 h o ⋅ Ao en donde Ai y Ao son las áreas de las superficies interior y exterior y Rf,i y Rf,o son los factores de incrustación en esas superficies. Transferencia de Calor 16 Intercambiadores de Calor. Coeficiente Global. Transferencia de Calor 17 Intercambiadores de Calor. ANÁLISIS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR En un intercambiador bien aislado la razón de la transferencia de calor desde el fluido caliente es igual a la razón de la transferencia de calor hacia el fluido frió, es decir, & =m & c ⋅ c pc ⋅ (Tc,sal − Tc,ent ) Q & =m & h ⋅ c ph ⋅ (Th,ent − Th,sal ) Q en donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frió y caliente, respectivamente. Transferencia de Calor 18 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor El producto del gasto de masa y del calor especifico del fluido cp, se llama razón de capacidad calorífica (C). (C) & ⋅ cp C=m & = C ⋅ (T − T ) → Q c c,sal c,ent & = C ⋅ (T − T ) → Q h h,ent h,sal Transferencia de Calor 19 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Método de la Efectividad-ntu. El método de la efectividad-NTU es el mas adecuado para predecir la razón de la transferencia de calor y las temperaturas de salida de las corrientes de los fluidos caliente y frió en un intercambiador especifico. La efectividad de un intercambiador de calor se define como, & Q Razón de la transferencia de calor real ε= = & Q max Razón maxima posible de la transferencia de calor Transferencia de Calor 20 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor en donde Cmín es el menor de Ch y Cc. La efectividad de los intercambiadores se puede determinar a partir de diversas relaciones y diagramas. & Q max = C min ⋅ (Th,ent − Tc,ent ) A continuación se dan soluciones graficas para los casos mas comunes. U⋅A NTU ≡ C mín. Transferencia de Calor 21 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Transferencia de Calor 22 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Transferencia de Calor 23 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Transferencia de Calor 24 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Transferencia de Calor 25 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Transferencia de Calor 26 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Transferencia de Calor 27 Intercambiadores de Calor. Análisis de los Intercambiadores de Calor Ejemplo 5.1.- Considere un intercambiador de calor de coraza y tubo donde se tiene dos pasos de tubos. El área (A) de transferencia de calor es de 5 m2 y se sabe que el coeficiente total de transferencia de calor global (U) es de 1200 W/m2K. Si entran por los tubos 10000 kg/h de agua a 25ºC, mientas por la parte de la coraza entran 5000 kg/h de agua a 90ºC, determine las temperaturas del agua a la salida del intercambiador (cp,agua = 4,18 J/gK). Transferencia de Calor 28