INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTERCAMBIADORES DE CALOR
En los grandes procesos industriales no es raro que sea necesario transferir cantidades
relativamente grandes de energía térmica entre el sistema y el medio ambiente o entre
distintas partes de un sistema dado.
Se llama intercambiador de calor al dispositivo cuyo propósito principal es transferir el
calor entre dos fluidos
Posiblemente
una de las aplicaciones más comunes de la transferencia de calor se
encuentra en el diseño y selección de los intercambiadores de calor.
Aun cuando los problemas que intervienen en el diseño de un intercambiador de calor
son múltiples y de carácter diverso; la metodología para predecir el comportamiento
térmico es relativamente sencilla.
Dentro de los múltiples aspectos que se deben considerar en el diseño de un
intercambiador de calor cabe enumerar los siguientes:
1. Esfuerzos mecánicos y dilataciones térmicas en las tuberías.
2. Problemas de corrosión.
3. Deposito de sólidos en las líneas de flujo.
4. Caídas de presión.
5. Peso y tamaño del intercambiador.
6. El costo.
Este ultimo factor juega eventualmente un papel sumamente importante en el diseño
o selección de un intercambiador de calor y debe mantenerse siempre en mente.
Normalmente se emplean 3 categorías para clasificar los intercambiadores de calor:
a) Regeneradores
b) Intercambiadores
c) Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores
Los regeneradores son intercambiadores de calor en donde un fluido caliente fluye a
través del mismo espacio seguido de un fluido frío en forma alternada. Con tan poca
mezcla física como sea posible entre las dos corrientes.
La superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energía térmica, es muy
importante en este dispositivo. Las propiedades del material superficial, junto con las
propiedades del flujo y del fluido de las corrientes fluidas, y con la geometría del
sistema, son cantidades que se deben de conocer para analizar o diseñar los
regeneradores.
Intercambiadores de tipo abierto
Como su nombre lo indica los intercambiadores de calor de tipo abierto son
dispositivos en las que las corrientes de fluidos de entrada fluyen hacia una cámara
abierta, y ocurre una mezcla física completa de las dos corrientes. Las corrientes
caliente y fría que entran por separado a este intercambiador salen mezcladas en una
sola. El análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucran la ley de la
conservación de la masa y la primera ley de la termodinámica; no se necesitan
ecuaciones para de relación para el análisis o el diseño de este tipo de intercambiador.
Intercambiadores de tipo cerrado
Son aquellos en los cuales ocurre transferencia de calor entre dos corrientes fluidas
que no se mezclan o que no tienen contacto entre si. Las corrientes de fluido que están
involucradas en esa forma están separadas entre si por una pared de tubo, o cualquier
otra superficie que pueda estar involucrada en el camino de la transferencia de calor.
En consecuencia la transferencia de calor ocurre por la convección desde el fluido mas
caliente a la superficie sólida, por conducción a través del sólido, y de ahí por
convección de la superficie sólida al fluido más frío.
CLASIFICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Se clasifica a un recuperador de acuerdo con su configuración. La información que lleva
esta clasificación es: las direcciones de flujo relativo de las dos corrientes fluidas y el
número de pasadas que hace cada fluido al recorrer el intercambiador.
A las direcciones relativas de flujo de las corrientes de fluido se les llaman flujo de
contrafujo o flujo paralelo cuando las corrientes fluyen en la misma dirección, y flujo
cruzado si las corrientes de fluido fluyen perpendiculares entre sí.
Es posible tener variaciones a la configuración de flujo cruzado con una u otra corriente
de fluido mezclada. En la siguiente figura se muestra el caso en que ambos fluidos no
están mezclados. Si se suprimen los tabiques mostrados en el caso de una corriente,
quedaría no separada o mezclada. Cuando el caso de flujo cruzado es como se muestra
en la figura, la corriente de fluido en una capa dada tiene una variación en la
temperatura de uno a otro lado,
ya que cada sección contiene una corriente de fluido
adyacente a una temperatura distinta. Generalmente es deseable que una o las dos
corrientes de fluido no estén mezcladas.
El diseño de los intercambiadores de calor generalmente comienza con la
determinación del área requerida para transferir el calor necesario entre las corrientes
fluidas que entran a temperaturas especificadas con determinadas razones de flujo.
Otras cantidades de interés son las temperaturas de salida de las dos corrientes. Se han
desarrollado distintas configuraciones de intercambiadores de calor para incorporar el
área requerida de transferencia de calor en un volumen tan pequeño como sea posible;
a continuación se muestran algunas configuraciones compactas de intercambiadores
de calor.
Un tipo común de configuración de intercambiador de calor compacto es el
denominado de coraza y tubo, en el cual una cámara grande (la coraza) aloja muchos
tubos que pueden hacer una, dos o muchas pasadas dentro de la coraza. Los
intercambiadores de calor de coraza y tubos pueden ser enormes, con dimensiones de
muchos metros de diámetro y longitud y puede incluir millares de tubos. Se pueden
incorporar varias pasadas de tubos a una sola coraza; pero lo más común es usar solo
una o 2 pasadas de coraza.
Un aspecto practico es el de la limpieza de los intercambiadores de calor, se debe
determinar el tipo de fluido que se necesita usar en los tubos y en la coraza.
Si un fluido es muy corrosivo o genera película o nata en la superficie sólida,
generalmente se utiliza el lado de los tubos debido a que se pueden limpiar las paredes
interiores de los mismos con relativa facilidad comparada con sus partes externas y el
resto de la coraza.
La otra consideración para estos tipos de intercambiadores de calor y de mucha
importancia es la caída de presión y/o los requerimientos de bombeo para los dos
fluidos. Generalmente la mayor caída de presión se encuentra del lado del tubo; en
consecuencia, esto influye en la selección de los fluidos para este intercambiador.
Otras consideraciones especificas a determinada aplicación, pueden determinar la
selección de los fluidos del lado de los tubos y la coraza.
El análisis de los intercambiadores de calor compactos de coraza y tubo es
relativamente complejo comparada con el caso de una sola pasada. De hecho cada uno
de estos arreglos complejos es solamente una combinación de distintos efectos de una
sola pasada. Por lo tanto es conveniente considerar inicialmente el caso de un solo
paso para iniciar el análisis de los intercambiadores de calor.
Análisis de intercambiador de calor de un solo paso
En la figura se representan los perfiles de temperatura para las corrientes de fluido en
las cuatro configuraciones básicas de pasada sencilla y doble tubería. Note que en los
casos c y d, solamente unas de las corrientes de fluidos experimenta un cambio de
temperatura. Naturalmente esto se debe
al hecho de que el otro fluido pasa por un
cambio de fase al liberar o recibir el calor, en que tal cambio de fase
ocurre a temperatura constante.
En cada uno de los casos mostrados, la variación de temperatura de las dos corrientes
del fluido es intuitivamente correcta. Note que la temperatura de fluido más caliente
Th disminuye al liberar calor, excepto en el caso c en el que se condensa el fluido
caliente. En forma análoga, la temperatura del fluido frío Tc se eleva conforma la
corriente pasa a través del intercambiador excepto en el caso d) en el cual el calor
recibido hace que el fluido frío se evapore o cambie de líquido a vapor. Se muestra las
direcciones de flujo para cada corriente de fluido excepto en los casos c) y d) en que no
están involucradas las direcciones de las corrientes de los fluidos de condensación y de
evaporación; sin considerar si las corrientes fluyen en paralelo o en contraflujo.
La dirección del flujo en los condensadores y evaporadores es significativa si el cambio
de fase es completo dentro del intercambiador de calor.
La figura muestra un caso de estos para corriente de fluidos que fluyen en direcciones
opuestas cuando se condensa el fluido, luego se enfría por debajo de condición de su
temperatura de saturación, conforme la transferencia de calor continua ocurriendo
dentro del intercambiador de calor de doble tubería.
Análisis del intercambiador de calor contraflujo de paso sencillo y doble tubería.
El fluido caliente entra en (1), el lado izquierdo del intercambiador de calor mostrado y
el fluido frío entra en (2). La abscisa es A, el área de intercambiador de calor, que esta
relacionada directamente con la longitud de la configuración de doble tubería
esta considerando.
que se
Se necesitan dos herramienta básicas
para el análisis de este caso, que son la primera
ley de la termodinámica y la ecuación aplicable de la razón expresada en términos de
un coeficiente global de transferencia de calor
Análisis de intercambiadores
de coraza y tubos de contraflujo.
Cuando se tiene que transferir una gran cantidad de calor, a menudo es indeseable o
imposible dedicar el espacio que seria necesario si se fuera a utilizar un intercambiador
de paso sencillo y de doble tubería.
Estas configuraciones mucho más complejas son más difíciles de tratar analíticamente
que los casos de paso sencillo, se puede emplear la ecuación:
q=UATlm
junto con un factor de corrección.
Se usa el factor de corrección F, que se encuentra en la gráfica adecuada, para
modificar la ecuación anterior en la forma:
q=UAFTlm
En donde siempre se determina Tlm en base al contraflujo.
Método de número de unidades de transferencia (NUT) para diseño y análisis de
intercambiadores de calor
Nusselt propuso por primera vez en 1930 el concepto de la efectividad del
intercambiador de calor. Se define la efectividad  como la razón de la transferencia
real de calor lograda en un intercambiador de calor a la máxima transferencia posible si
se dispusiera de área infinita de transferencia de calor.
Con relación a la siguiente figura que muestra perfiles típicos de la temperatura para
configuraciones de contraflujo y flujo paralelo de una sola pasada, es aparente que en
general un fluido sufre un mayor cambio de temperatura que el otro. El cambio relativo
en la temperatura de los dos fluidos esta relacionado inversamente
a sus razones de
capacidad, el que tiene menos valor de C sufre el mayor cambio de temperatura.
A la mayor razón de capacidad se le designa mediante Cmax y a la menor capacidad
mediante Cmin. En el caso del contraflujo, es aparente que conforme se aumenta el
área del intercambiador de calor, la temperatura de salida del fluido mismo se
aproxima a la temperatura de entrada del fluido máximo en el limite conforme el área
se aproxima al infinito: TminsalidaTmaxentrada
En el caso del flujo paralelo, un área infinita solo significa que la temperatura de ambos
fluidos seria la lograda si se permitiera que ambos se mezclaran libremente en un
intercambiador de calor tipo abierto.
Consideraciones adicionales en el análisis y diseño de intercambiadores de calor
Ensuciamiento del intercambiador de calor
Cuando se ha mantenido en uso prolongado un intercambiador de calor, es seguro que
se forme sarro en las superficies de los tubos o que se deteriore la misma superficie
debido a la corrosión. Con el tiempo, estos efectos alteran el funcionamiento del
intercambiador.
A la superficie de transferencia de calor que se ha afectado en esa forma se llama sucia.
Normalmente se considera que una superficie sucia es la que presenta alguna
resistencia adicional a la transferencia del calor debido a la acumulación de materias
extrañas o sarro. Esta resistencia térmica adicional provoca en forma natural que la
transferencia de calor sea inferior a la correspondiente en el caso
de que no haya
resistencia de suciedad.
Predecir la acumulación de sarro o el efecto correspondiente en la transferencia del
calor es una labor muy difícil. Se puede evaluar el desempeño real de un
intercambiador de calor después de un periodo de servicio y de ahí determinar la
resistencia por ensuciamiento, con una superficie limpia:
qq=UuATlm= Tlm/Rto
En forma análoga, para una superficie sucia
qq=UfATlm=Tlm/Rtf
En donde Rto y Rtf representa la resistencia térmica total para la superficie limpia y
sucia respectivamente.
1
Uo =
1
Ao ln( ro / ri ) 

ho
Ao
Aihi
2 k
Donde los términos en el denominador son las resistencias térmicas debidas a la
convección en la superficie exterior de los tubos, y la convección en la superficie
interior de los tubos respectivamente.
Para una superficie sucia, la expresión U es
Uf=
1
1
ho
 Ro 
Ao ln( ro / ri )
2 k
 Ri
Ao
Aihi
En la cual los términos adicionales Ro y RI representan las resistencias de
ensuciamiento en la superficie interior y exterior del tubo respectivamente.
En la siguiente tabla se proporcionan algunos valores típicos de resistencia de
ensuciamiento que se deben emplear en la ecuación anterior.
La tubular exchange manufacturers associations, sugiere estos valores:
Resistencia de ensuciamiento
Fluido
(hr-ft2-F/Btu)
Agua destilada
0.0005
Agua de mar, por debajo de 125ºF
0.0005
Por arriba de 125ºF
0.001
Agua tratada para caldera
0.001
Agua potable o de pozo por debajo de 125ºF
0.001
Por arriba de 125ºF
0.002
Líquidos de refrigeración
0.001
Vapores de refrigeración
0.002
Gasolina líquida y vapores orgánicos
0.0005
Aceite combustible
0.005
Vapor sin aceite
0.0005
Aire industrial
0.002
La siguiente tabla da algunos valores representativos del coeficiente de transferencia
de calor global para distintas combinaciones de fluidos.
Muelles sugiero los valores listados. No se debe considerar que estos valores son
exactos, sino solamente representativos de las magnitudes que se deben esperar en
los intercambiadores de calor con las combinaciones listadas de fluidos.
COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR GLOBAL DE LOS VALORES APROXIMADOS
Combinación de fluidos
Agua a aire comprimido
Agua a agua, camisas de enfriamiento
Agua a salmuera
Agua a gasolina
Agua a gas de petróleo o un destilado
Agua a solventes orgánicos, alcohol
Agua a alcohol de condensación
Agua a aceite de lubricación
Agua a vapores de aceite de condensación
Agua a freón-12 de condensación o de ebullición
Agua a amonio de condensación
Vapor a soluciones acuosas
Vapor a gases
Organicos ligeros a orgánicos ligeros
Organicos medianos a orgánicos medianos
Organicos pesados a orgánicos pesados
Organicos pesados a orgánicos ligeros
Petróleo crudo a gas de petróleo
U(Btu/hr-ft2ºF)
10-30
150-275
100-200
60-90
35-60
50-150
45-120
20-60
40-100
50-150
150-250
100-600
5-50
40-75
20-60
10-40
10-60
30-55