Intercambiadores De Calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Autor: Yahin Palomares

Maracaibo, Agosto de 2013

INDICE

INTRODUCCIÓN

1. Uso de los intercambiadores de calor en la industria

2. Aplicaciones de los intercambiadores de calor

3. Clasificación de los intercambiadores de calor

3.1 Funcionamiento

3.2 Construcción

3.3 Utilidad en las industrias

4. Calculo del coeficiente total de transferencia de calor, en los intercambiadores de calor, en los intercambiadores de calor

5. Tipos de restricciones que impiden la transferencia de calor, en los intercambiadores de calor

6. Calculo del calor transmitido a través de la longitud media logarítmica

7. Calculo del calor transmitida a través de del método de NUT (Numero de unidades de transferencia)

8. Calculo de la longitud de las tuberías de los intercambiadores de calor

9. Calculo del numero de tubos de los intercambiadores de calor

10. Calculo del área de transferencia de los intercambiadores de calor

CONCLUSIÓN

BIBLIOGRAFÍA

INTRODUCCIÓN

En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor debe ser transferido de un lugar a otro,o bien, de un fluido a otro. Los intercambiadores de calor son los dipositivos que permiten realizar dicha tarea.

Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiadores de calor es necesario para comprender cómo estos funcionan y operan para un adecuado desempeño.

El objetivo de esta sección es presentar los intercambiadores de calor como dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera específica en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base en su construcción: tubo y carcaza; placas, y se comparan estos. Se presentan también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor.

Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.

1. Uso de los intercambiadores de calor en la industria

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Los intercambiadores de calor son ampliamente utilizados en la industria alimentaria, para calentamiento y enfriamiento de productos, en sistemas de esterilización, pasteurización, desactivación enzimática, etc. También son utilizados en estas industrias para procesos auxiliares de calentamientos de agua, generación de vapor, recuperadores y enfriadores de fluidos.

2. Clasificación de los intercambiadores de calor

2.1 Funcionamiento

La función general de un intercambiador de calor es transferir calor de un fluido a otro.

Los componentes básicos de los intercambiadores se puede ver como un tubo por donde un flujo de fluido está pasando mientras que otro fluido fluye alrededor de dicho tubo. Existen por tanto tres intercambios de calor que necesitan ser descritos:

- Transferencia de calor conectiva del fluido hacia la pared interna del tubo

- Transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo

- Transferencia de calor conectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior.

Para desarrollar la metodología para el análisis y diseño de un intercambiador de calor, atendemos primero el problema de la transferencia de calor del fluido interno en el tubo hacia el fluido externo en la carcaza.

- Relaciones gobernantes

Consideremos que existen dos flujos en un intercambiador de calor, el fluido caliente tiene una razón de capacidad calorífica defina como Ch=•mCph [W/K] donde •m[kg/s] es el flujo másico y Cph [J/kgK] es su capacidad calorífica a presión constante y análogamente para el fluido frío se tiene Cc=•mcph. Entonces, con base en la Primera Ley de la Termodinámica o Conservación de la Energía, se establece que el calor transferido entre ambos flujos se puede describir por un balance de entalpía de la forma

q = Ch (T1-T2) = Cc (t2−t1)

donde los subíndices 1 y 2 se refieren a entrada o salida del intercambiador, respectivamente, y las literales T y t son empleadas para indicar las temperaturas caliente y fría, respectivamente.La ecuación (1) es una representación ideal donde no se consideran pérdidas de calor y ésta sólo describe el calor que será transferido (la capacidad o comportamiento del intercambiador) para el caso donde se conocen los flujos másicos y las temperaturas de operación. Sin embargo, dicha ecuación no provee ninguna indicación del tamaño delintercambiador necesaria para mejorar su capacidad o eficacia. Si consideramos el tamaño del intercambiador en la ecuación (1) podemos escribir,

q = UηSθm = Uhηov,hShθm = Ucηov,cScθm (2)

donde S h y Sc son las áreas de las superficies caliente y fría del intercambiador, Uh y Uc son los coeficientes globales de transferencia de calor referidos a la parte caliente y fría del intercambiador, y θ m es la diferencia de temperaturas

2.2 Construcción

Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes categorías: carcaza y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicación.

- Carcaza y tubo

La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y carcaza.

Este tipo de intercambiador 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 carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan 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. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates) también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

- Plato

El intercambiador de calor de tipo 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. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de calor.

Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la inhabilidad de sellar confíablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este problema, el tipo intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo.

2.3 Utilidad

El papel de los intercambiadores térmicos ha adquirido una creciente importancia recientemente al empezar a ser conscientes los técnicos de la necesidad de ahorrar energía. En consecuencia se desea obtener

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