UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE PROCESOS
ASIGNATURA: PROCESOS INDUSTRIALES REALIZADO POR: RENÉ FERNANDO LOZADA FECHA: 2015-04-01 TEMA: RESUMEN DE LAS LECTURAS “INTERCAMBIADORES DE CALOR” Y “TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR” CORRESPONDIENTES A LAS SESIONES 2 Y 3.
Intercambiadores de Calor. Los intercambiadores de calor, son aparatos o máquinas que permiten el flujo de energía calórica o intercambio de calor de un fluido a otro, con la finalidad de obtener una variación en su temperatura sin necesidad de que se mezclen entre sí. Estos equipos son de uso muy común, tanto que incluso tienen aplicaciones domésticas, un ejemplo de intercambiador de calor doméstico es el sistema de aire acondicionado, o de calefacción. Cabe recalcar sin embargo que la mayor aplicación de estas máquinas está en el ámbito industrial. Tiene una gran diferencia con las cámaras de mezclado, puesto que éstas máquinas al contrario de las cámaras de mezclado evitan que dos fluido a diferentes temperaturas entren en contacto. Es importante considerar que la transferencia de calor en estos equipos será siempre desde el fluido que se encuentra a mayor temperatura al de menor temperatura. Comprendiendo que el proceso de transferencia en los intercambiadores usualmente comprende convección de la tubería al fluido y viceversa y conducción cuando la transferencia es de pared interna a pared externa de la tubería. Resulta muy relevante el considerar todos los factures que influyen en este proceso por lo cual resulta necesario trabajar con un coeficiente total de transferencia de calor U. Donde 𝑈 = 𝑊 ⁄𝑚2 . °𝐶 TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Las distintas aplicaciones de la transferencia de calor requieren diferentes tipos de componentes y configuraciones del equipo para dicha transferencia. El tipo más sencillo y común de intercambiador de calor, es el intercambiador de doble tubo, el cual está compuesto por un tubo delgado por el que circulará la corriente de fluido frío, y un tubo de diámetro más grande por el que circulará la corriente de fluido más caliente y será por lo tanto el que haga la transferencia de calor, se los conoce también como tubos concéntricos. Cabe recalcar que en este tipo de intercambiadores es posible tener dos tipos de flujos, el flujo paralelo en el que las dos corrientes fluyen en la misma dirección, y el contraflujo en que las corrientes fluyen en dirección opuesta. Otro tipo de intercambiador de calor es el compacto, este intercambiador en particular se caracteriza por generar una gran área de contacto superficial, para lograr la trasferencia. La razón entre el área superficial de transferencia de calor de un intercambiador y su volumen se llama densidad de área β. Un intercambiador con área de volumen de contacto β> 700 𝑚2 ⁄𝑚3 , se considera como intercambiador compacto. Ejemplo de esta variedad son los radiadores de los vehículos. Al tener un espacio pequeño de circulación del fluido, se pueden considerar como flujo laminar. En estos intercambiadores los fluidos se
conducen de lanera perpendicular entre sí, y a esta configuración se le conoce como flujo cruzado o también no mezclado o mezclado. Otro tipo de intercambiador que es muy común en las aplicaciones industriales es el de tubos y coraza, el cual consiste en un gran número de tubos empacados en una carcasa, con sus ejes en posición paralela al de la carcasa. La transferencia tiene lugar cuando uno de los líquidos fluye por dentro de los tubos, mientras que el otro por fuera de ellos en el espacio interno de la coraza. Dentro de esta variedad existe otra clasificación de intercambiadores de tubos y coraza, la diferencia la hace la configuración de los tubos que forman una u dentro de la coraza, esta configuración puede ser de un paso por el tubo y dos pasos por la coraza, o dos pasos por el tubo y cuatro por la coraza. Otro tipo de intercambiador es el de placas y armazón, su configuración está dada por una serie de placas con pasos corrugados. Las corrientes fluyen en pasos alternados, de modo que cada corriente de fluido frío, pasa por dos corrientes de fluido caliente. Otro tipo de intercambiador de calor es el regenerativo, el cual tiene a su vez dos variedades. Cabe recalcar que el intercambiador regenerativo estático es una masa porosa que tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, las corrientes fluyen a través de él de manera alternada. Por su parte el regenerador del tipo dinámico consta de un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor, de modo que diversas partes de este último pasan periódicamente a través de la corriente caliente, almacenando calor, y después a través de la corriente fría, rechazando este calor almacenado. El Coeficiente Total De Transferencia De Calor. Comúnmente en un intercambiador dos fluidos están separados por una pared sólida y la transferencia de calor se hace del fluido más caliente al más frío. Para lograr esta transferencia primero debe el fluido transferir el calor a la pared por convección luego debe conducirse a través de la pared por conducción, y por último la pared debe transferir el calor hacia el fluido nuevamente por convección. Cabe notar que todos los efectos de la resistencia térmica comprendidas por la resistencia de convección y de conducción, en el caso de un intercambiador de doble tubos, serían: 𝑅
𝑙𝑛(𝐷𝑜|𝐷𝐼) 𝑃𝑎𝑟𝑒𝑑= 2𝜋𝑘𝐿
Donde k es el coeficiente de conductividad térmica del material y L la longitud del tubo. Entonces la resistencia térmica total es: Rtotal= Ri + Rpared + Ro =
1 ℎ𝐴
(I)+
𝑙𝑛(𝐷𝑜|𝐷𝐼 ) 2𝜋𝑘𝐿
+
1 ℎ𝐴
(o)
Ai y Ao son las áreas superficiales de la pared de separación mojada por los fluidos interior y exterior, respectivamente. Cuando uno de los fluidos fluye adentro de un tubo circular y el otro afuera de éste, se tiene Ai= πDiL y Ao= πDoL. En el análisis de los intercambiadores de calor resulta conveniente combinar todas las resistencias térmicas que se encuentran en la trayectoria del flujo de calor del fluido caliente hacia el frío en una sola resistencia R y expresar la razón de la transferencia de calor entre los dos fluidos como: 𝒬=
Δ𝑇 𝑅
Cabe recalcar que cuando la pared del tubo es pequeña, y la conductividad térmica del material es alta, la resistencia es despreciable, por tanto Rpared ≈ 0. Entonces la ecuación de factor de transferencia sería:
1 𝑈
=
1 ℎ𝐴
(I)
+
1 ℎ𝐴
(o)
Factor de incrustación. El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las superficies de transferencia de calor. La capa de depósitos representa una resistencia adicional para esta transferencia y hace que disminuya la razón de la misma en un intercambiador. El tipo más común de incrustación es la precipitación de depósitos sólidos que se encuentran en un fluido sobre las superficies de transferencia de calor. El lector puede observar este tipo de incrustación incluso en su casa. Si revisa las superficies interiores de su tetera después de un uso prolongado, es probable que advierta una capa de depósitos de calcio sobre las superficies en las cuales ocurre la ebullición. Esto se presenta en especial en zonas en donde el agua es dura. Otra forma de incrustación, la cual es común en la industria de procesos químicos, es la corrosión y otra la incrustación química. En este caso las superficies se incrustan por la acumulación de los productos de las reacciones químicas sobre ellas Los intercambiadores también pueden incrustarse por el crecimiento de algas en los fluidos calientes. Este tipo de incrustación se conoce como incrustación biológica y se puede impedir mediante el tratamiento químico. El factor de incrustación depende de la temperatura de operación y de la velocidad de los fluidos, así como de la duración del servicio. La incrustación se incrementa al aumentar la temperatura y disminuir la velocidad. Es necesario considerar el coeficiente total de transferencia de calor, debido a que ciertamente este sufrirá también una variación por el efecto de las incrustaciones en el interior y exterior de un tubo. Considerando un intercambiador de tubos y casco esta relación se puede expresar como: 𝐷𝑜 1 1 1 1 𝑅𝜆2 ln ( ⁄𝐷𝑖 ) 𝑅𝜆𝑜 1 = = =𝑅= + + + + 𝑈 𝑈𝑖 𝐴 𝑈𝑜 𝐴 ℎ𝑖 𝐴 𝐴 𝑖 2𝜋𝑘𝐿 𝐴𝑜 ℎ𝐴𝑜 i
en donde Rf, i y Rf, o son los factores de incrustación en esas superficies.
i
Çengel, Y. y. (2011). Transferencia de calor y masa. México: McGRAW-HILL.
