Los intercambiadores de calor

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DESARROLLO

Los intercambiadores de calor se pueden definir como un dispositivo utilizado para intercambiar calor entre dos fluidos sin que ellos se mezclen, un fluido frio que se calienta y otro fluido caliente que se enfría. Hay de muchos tipos de intercambiadores de calor algunos de los más importantes son:

El intercambiador de doble tubo o tubos concéntricos estos consisten básicamente en un tubo dentro de otro tubo por el tubo interno fluye unos de los fluidos y por el espacio anular el otro. Estos dos fluidos pueden ir en forma paralela es decir hacia la misma dirección o en contra flujo direcciones opuestas.[pic 5]

Entonces si tenemos un intercambiador de tubos concéntricos el flujo paralelo el cambio de temperatura de los fluidos va ser de este modo: el fluido caliente se va enfría y el fluido frio se va a calentar.[pic 6]

En los de conta flujo el comportamiento de la temperatura va ser esta manera:

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Otro tipo muy impórtate son los intercambiadores compactos son intercambiadores donde se logra una gran área de transferencia de calor en un volumen pequeño son deseñados para aplicaciones en donde se tiene poco espacio y limitaciones de peso para el uso del intercambiador de calor como por ejemplo en los automóviles los radiadores.

En estos intercambiadores tenemos una densidad de área mayor a 700m2/ m3.

La densidad del área beta β = Área superficial de transferencia de calor / volumen. Y se logra utilizando una serie de aletas corrugadas delgadas que hacen que aumente el área de transferencia de calor.

El flujo suele ser cruzado es decir perpendicular entre los dos fluidos y pueden ser de flujo mezclado o no mezclado. El flujo mezclado significa que el fluido que no va por los tubos se puede mover en dos direcciones de forma transversal y de forma longitudinal a los tubos y en el flujo no mezclado no tenemos el movimiento longitudinal solamente el fluido se mueve en una sola dirección. [pic 8][pic 9]

Otro tipo que es más utilizado es el intercambiador de calor de carcasa y tubos o de coraza y tubos. Estos consisten en una carcasa que es un tubo grande o un contenedor que tiene por dentro otros tubos pequeños [pic 10]

Entonces decimos que va un fluido por los tubos internos y otro fluido por la carcasa está en su parte interna tiene unos elementos llamados deflectores o desviadores que son unas placas que hacen que el fluido que va por la carcasa tenga que hacer unos movimientos en zigzag y de esa manera haya un mayor contacto y un mayor intercambio de calor.

Estos se pueden clasificar por el número de pasos en la carcasa y en los tubos:

Un paso por la carcasa y dos pasos por los tubos.

Dos pasos por la carcasa y cuatro pasos por los tubos.

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Tenemos también otro tipo de intercambiador llamado de placa y armazón y esta consiste en una serie de placas que van unidas una a la otra y en el espacio entre placas van de manera intercalada el fluido caliente y el fluido frio. Asimismo, este tipo de intercambiadores pueden crecer al aumentar la demanda de transferencia de calor sencillamente montando más placas. Resultan muy apropiados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido hacia líquido, siempre que las corrientes de los fluidos caliente y frío se encuentren más o menos a la misma presión.

Tenemos otro llamado intercambiador regenerativo que consiste en un medio que almacena el calor pasamos el flujo caliente entonces ese medio se calienta y luego pasamos el fluido frio ese fluido se calienta absorbe el calor que se había dejado ahí en el medio y así se produce el intercambio de calor.

El coeficiente de transferencia de calor total

Vamos a considerar un intercambiador de tubos concéntricos [pic 13]

Vemos en la figura que el fluido caliente va por la tubería interna y el fluido caliente por el espacio entre las dos tuberías o el espacio anular d e manera que vamos a tener una transferencia de calor desde la parte interna del intercambiador a la parte externa porque el calor va del medio mas caliente al mas frio.

También vemos una imagen que se relaciona más a la electrónica, pero esta representa al circuito térmico donde internamente vamos a tener una resistencia que corresponde a la convección entre el flujo caliente y la superficie interna del tubo esta superficie interna va a tener un área (Ai) y coeficiente de transferencia de calor por convención (hi).

Después tendremos una resistencia que corresponde a la conducción entre la parte interna de la superficie interna del tubo y la superficie externa del mismo.

Y finalmente otra resistencia por convección que es la que tiene que ver con lo que ocurre en el espacio anular la transferencia de calor entre la superficie externa del tubo y el fluido frio.

R = Rtotal = Rint + Rpared + Rext = [pic 14]

Es decir, la resistencia equivalente la resistencia total de este circuito será la suma de esas tres resistencias porque es un circuito en serie. donde k es la conductividad térmica del material de la pared y L es la longitud del tubo. Cuando uno de los fluidos fluye adentro de un tubo circular y el otro afuera de éste, se tiene Aint = πDintL y Aext = πDextL.

En este tipo de análisis de intercambiador de calor conviene expresar la ecuación de transferencia de calor que generalmente se usa de manera que quede parecida o de manera análoga a la ley del enfriamiento de newton que es la formula de la convección

iAi = UeAe[pic 15][pic 16][pic 17]

Donde U es el coeficiente global de transferencia de calor o de calor total que es un coeficiente que tiene en cuenta tanto la convección como la conducción a través del intercambiador.

Dependiendo de cual área tomemos si el área interna o el área externa vamos a tener un coeficiente de calor total interno o externo que son los que llamamos (hi) y (he). Si la pared del tubo es pequeña podemos despreciar la conducción a través del tubo entonces solo vamos a tener convección interna y externa de la misma manera vamos a tener un área interna del tubo casi igual al área externa por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor total interno será aproximadamente igual al externo es decir solo tendremos un coeficiente de transferencia de calor total U.

Rpared ≈ 0

Ai ≈ Ae ≈ As               U ≈ Ui ≈ Ue[pic 18]

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Este coeficiente de transferencia de calor total es dominado por el coeficiente de transferencia de calor por convección más pequeño por el h mas pequeño ese es el cuello de botella de la transferencia de calor por esta razón cuando utilizamos aletas estas van del lado del gas que es el que tiene menos h para así aumentar la transferencia de calor en ese medio y poder tener un mejor funcionamiento y un mejor intercambio de calor en el dispositivo.

Cuando utilizamos aletas que recordemos que son porciones de material que se añaden para que haya una mayor área de transferencia de calor y una mayor convección hay que considerar el área de esa aleta es decir vamos a tener un área superficial que es la suma del área de las aletas y el área e los espacios donde no hay aletas.

As = Atotal = Aaletas + Asin aletas

Cuando tenemos aletas cortas que se pueden suponer con una eficiencia del 100% podemos simplemente expresarla de la siguiente forma:

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Donde As es área total.

Si la aleta no es corta no podemos suponer la eficiencia del 100% lo que hacemos es definir de nuevo la formula anterior pero ahora la As será la eficiencia de la aleta por a el área de aleta más el área sin aletas.

As = nAleta AAletas + Asin aletas.

la eficiencia es una relación entre el calor que se transfiere realmente por la aleta y el calor máximo que se podría transferir. Ese calor máximo ocurriría si toda la aleta estuviera a la misma temperatura.[pic 21]

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Factor de incrustación

El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorase con el paso del tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las superficies. Estos es una capa que provoca una resistencia adicional, que se representa por un factor de incrustación Rf.

Algunas causas de incrustación:

Precipitación: que es cuando sales u otros elementos que viajan en el fluido pierden solubilidad por el cambio de temperatura y se van adhiriendo a las paredes.

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