Acordeón para examen: intercambiadores de calor

ACORDEÓN PARA EXAMEN: INTERCAMBIADORES DE CALOR
(Extensivo, Sin Fórmulas ni Tablas)

1. CLASIFICACIÓN DE INTERCAMBIADORES

A. Por proceso de transferencia de calor:

1. Contacto indirecto (fluidos separados por una pared):

• Recuperadores:

• Transferencia continua a través de una pared.
• Ejemplos: intercambiadores de carcasa y tubos (industria petrolera), doble tubo (caudales pequeños), placas (alimentos).

• Regeneradores:

• Usan un medio de almacenamiento (ej: matriz cerámica) que alterna entre absorber y liberar calor.
• Aplicaciones: precalentadores de aire en hornos, centrales térmicas.

• Lecho fluidizado:

• Partículas sólidas en suspensión transfieren calor. Usado en combustión avanzada o procesos químicos.

1. Contacto directo (mezcla de fluidos):

• Torres de enfriamiento:

• Enfriamiento por evaporación (agua + aire). Comunes en plantas nucleares o termoeléctricas.

• Desgasificadores:

• Eliminan gases disueltos en agua usando vapor. Clave en sistemas de alimentación de calderas.

• Intercambiadores líquido-gas:

• Humidificadores o sistemas de aspersión para enfriamiento rápido.

B. Por construcción:

1. Tubulares:

• Carcasa y tubos:

• Diseño estándar industrial. Fluido caliente en carcasa, frío en tubos (o viceversa). Resiste altas presiones.
• Variantes: *1-2 intercambiadores* (1 paso por carcasa, 2 por tubos), multipaso.

• Doble tubo:

• Dos tubos concéntricos. Simple, económico, pero limitado a caudales bajos.

• Tubos en espiral:

• Compactos, ideales para espacios reducidos (ej: calderas domésticas).

1. Placas:

• Placas y marco:

• Placas corrugadas con juntas desmontables. Fáciles de limpiar, ideales para fluidos viscosos o con partículas (industria láctea).

• Placas soldadas:

• Sin juntas, resistentes a altas temperaturas/presiones. Usados en refrigeración industrial.

• Ultracompactos (circuito impreso):

• Canales microscópicos (0.1-2 mm). Usados en criogenia o electrónica de alta potencia.

1. Superficie extendida:

• Aletas:

• Aumentan el área de transferencia en gases (ej: radiadores, HVAC). Tipos: helicoidales, rectas, tipo sierra.

• Tubos torcidos o con deflectores:

• Generan turbulencia para mejorar eficiencia.

1. Regeneradores:

• Recuperan calor residual usando un medio intermediario (ej: matrices rotativas en centrales térmicas).

C. Por arreglo de flujo:

1. Contracorriente:

• Máxima eficiencia. Fluidos fluyen en direcciones opuestas. Permite que el fluido frío alcance temperaturas cercanas al fluido caliente.

1. Paralelo (flujo paralelo):

• Fluidos en la misma dirección. Menor eficiencia, usado cuando se evitan esfuerzos térmicos.

1. Flujo cruzado:

• Fluidos se cruzan perpendicularmente (ej: radiadores de autos, intercambiadores de aire).

1. Multipaso:

• Combina pasos en serie/paralelo para optimizar transferencia. Ej: *2-4 intercambiadores* (2 pasos por carcasa, 4 por tubos).

D. Por número de fluidos:

• Dos fluidos: Caso estándar (ej: agua-vapor, aire-refrigerante).
• Tres o más fluidos: Usados en procesos químicos complejos (ej: destilación fraccionada).

2. MÉTODOS DE ANÁLISIS

A. Método LMTD (Diferencia Media Logarítmica):

• Cuándo usar: Temperaturas de entrada/salida conocidas.
• Conceptos clave:

• La diferencia de temperatura no es constante: es mayor al inicio y disminuye hacia la salida.
• ΔTml (diferencia media logarítmica) es la medida efectiva para cálculos.
• Contracorriente > Flujo paralelo en eficiencia debido a ΔTml más alta.

• Factor de corrección (F):

• Aplica para flujos no contracorriente (cruzados, multipaso). Si F ≈ 1, el diseño es óptimo.

B. Método Efectividad-NTU:

• Cuándo usar: Temperaturas de salida desconocidas.
• Efectividad (ε):

• Razón entre calor real transferido y máximo teórico.
• Ejemplo: ε = 0.7 significa que se transfiere el 70% del calor máximo posible.

• NTU (Número de Unidades de Transferencia):

• Relaciona el tamaño del intercambiador (UA) con la capacidad térmica de los fluidos.
• NTU alto implica mayor área o mejor coeficiente U.

3. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR (U)

• Definición: Eficiencia total de transferencia, considerando convección, conducción y ensuciamiento.
• Factores clave:

• Coeficientes de película (h): Dependen de velocidad del fluido, viscosidad y geometría.
• Material de la pared: Metales como cobre (alta conductividad) vs. acero (resistencia mecánica).
• Ensuciamiento: Incrustaciones reducen U. Se mitiga con limpieza o materiales antiadherentes.

• Proceso iterativo:

1. Suponer U inicial basado en experiencia.
2. Calcular propiedades termofísicas (densidad, viscosidad, Cp).
3. Determinar h (convección) usando correlaciones empíricas.
4. Recalcular U y comparar con el valor inicial. Repetir hasta converger.

4. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES

A. Pasos clave:

1. Definir requerimientos:

• Temperaturas de entrada/salida, caudales, pérdidas de carga aceptables, restricciones de espacio.

1. Selección del tipo:

• Carcasa y tubos: Para altas presiones/temperaturas o fluidos sucios.
• Placas: Cuando se prioriza mantenimiento o espacio reducido.
• Aletados: Para gases o aplicaciones con baja conductividad térmica.

1. Cálculo térmico:

• Usar LMTD o NTU según datos disponibles.
• Ajustar con factor de corrección F si el flujo no es contracorriente puro.

1. Optimización:

• Equilibrar eficiencia (área grande) con costos (materiales, energía para bombas/ventiladores).

B. Consideraciones prácticas:

• Velocidades recomendadas:

• Líquidos: 1-3 m/s (evitar erosión/ensuciamiento).
• Gases: 15-30 m/s (mejorar transferencia).

• Materiales:

• Acero inoxidable (corrosión), titanio (agua de mar), cobre (alta conductividad).

• Ensuciamiento:

• Factores empíricos (ej: 0.0002 m²·K/W para agua tratada).
• Diseñar con acceso para limpieza (ej: tubos de ≥1" de diámetro).

5. APLICACIONES INDUSTRIALES

• Carcasa y tubos:

• Refinerías (enfriamiento de crudo), plantas químicas (condensación de vapores).

• Placas:

• Pasteurización en industria láctea, recuperación de calor en HVAC.

• Aletados:

• Motores de combustión (enfriamiento de aceite), sistemas de aire acondicionado.

• Regeneradores:

• Hornos industriales (precalentamiento de aire), centrales termosolares.

6. CONSEJOS PARA EL EXAMEN

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