Intercambiadores De Calor

Intercambiadores de Calor

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 dispositivos 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.

Un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.

• Reducir la temperatura de un fl uido mediante un fluido con menor temperatura.

• Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura.

• Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.

• Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.

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.

Un ingeniero a menudo se encuentra en la posición de seleccionar un intercambiador de calor que logre un cambio de temperatura específica de una corriente de fluido, o bien, predecir las temperaturas de salida de las corrientes de fluido caliente y del frio en un intercambiador de calor especifico.

Para el análisis de estos dispositivos existen dos métodos. Los cuales son, el de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) y el de la efectividad-NTU

Características Generales de los intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor suelen operar durante largos periodos sin cambios en sus condiciones de operación. Por lo tanto se pueden considerar como aparatos de flujo estable. Donde el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o salida, siguen siendo las mismas. Asimismo, las corrientes de flujo experimenta poco o ningún cambio en sus velocidades y elevaciones, por lo tanto, los cambios de energía cinética y potencial son des preciables. Mayormente el calor específico de un fluido cambia con la temperatura; pero, en un intervalo especifico de temperatura, este se puede considerar como constante en algún valor promedio con poca perdida en la exactitud. La conducción de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se puede considerar despreciable. Por ultimo se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor esta perfectamente aislada del medio circundante y cualquier transferencia de calor ocurre entre los dos fluidos.

La velocidad de transferencia de calor en un intercambiador de calor se puede expresar de una manera análoga a la ley de newton del enfriamiento como.

Donde U es el coeficiente de transferencia de calor total, A es el aérea de transferencia de calor y es una diferencia promedio apropiada de las temperaturas entre los dos fluidos. En este caso, el aérea superficial As se puede determinar usando las dimensiones del intercambiador, mientras que el coeficiente de transferencia de calor total U y la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio no son constantes y varían a lo largo del intercambiador.

El coeficiente de transferencia de calor total se puede calcular utilizando los coeficientes de convección promedio para cada fluido, y la diferencia media de temperatura entre los dos fluidos tiene naturaleza logarítmica y utilizamos el método de la diferencia media logarítmica de temperatura.

Método de la Diferencia Media Logarítmica de Temperatura

Según lo antes expuestos, en un intercambiador de calor la diferencia de la temper atura entre los fluidos caliente y frio varia, y se debe tener una diferencia media de temperatura para usarse en la relacion

Para desarrollar la relacion para la diferencia de temperaturam promedio entre los dos fluidos, vamos a considerar un intercambiador de calor de tubo doble y flujo paralelo.

Las temperaturas de entrada de los fuidos tanto caliente como frio en un intercambiador de este tipo son grandes pero van disminuyendo en forma exponencial hacia la salida, se espera que la temperatura del fuido caliente disminuya y la del frio aumente a lo largo dicho intercambiador, pero nunca la temperatura del fuido frio debe sobrepasar la del caliente sin importar lo largo de dicho intercambiador.

Un balance de energia en cada fluido, en una seccion diferencial del intercambiador ( Figura

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