UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Intercambiadores de calor. El radiador.
Realizado por Ricardo Javier Delfin Vargas
Lima, 2015
ÍNDICE 1
DEFINICIÓN.............................................................................................................. 1
2
CLASIFICACIÓN....................................................................................................... 1 2.1
2.1.1
De contacto directo..................................................................................... 1
2.1.2
De contacto indirecto .................................................................................. 1
2.2
SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN ......................................................................... 1
2.2.1
Coraza y tubos............................................................................................ 1
2.2.2
Compactos o de placas .............................................................................. 2
2.3
3
SEGÚN EL PROCESO DE TRANSFERENCIA................................................ 1
SEGÚN LA DIRECCIÓN DEL FLUJO............................................................... 3
2.3.1
Flujo paralelo .............................................................................................. 3
2.3.2
Contraflujo .................................................................................................. 3
2.3.3
Flujo cruzado .............................................................................................. 3
2.4
SEGÚN EL NÚMERO DE INTERCAMBIOS REALIZADOS ............................ 4
2.5
SEGÚN SU REGENERACIÓN.......................................................................... 5
APLICACIONES........................................................................................................ 6 3.1
EL RADIADOR................................................................................................... 6
3.2
CALDERAS........................................................................................................ 6
3.3
CONDENSADORES .......................................................................................... 7
4
SELECCIÓN.............................................................................................................. 8
5
PROCEDIMIENTO BÁSICO DE DISEÑO DE UN RADIADOR ............................... 9
6
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 11
Lista de tablas Tabla
Página
Tabla 1. Características de operación de los intercambiadores más comunes
9
Tabla 2. Comparación entre los intercambiadores de calor más comunes
10
Lista de figuras Figura
Página
Figura 1. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos
2
Figura 2. Partes de un intercambiador de calor compacto
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Figura 3. Intercambiadores de doble tubo con flujo paralelo y contraflujo
3
Figura 4. Esquema de un intercambiador de calor con flujo cruzado
4
Figura 5. Esquema de un intercambiador de calor de múltiples pasos
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Figura 6. Intercambiador de calor regenerativo
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Figura 7. Sistema de refrigeración de un motor de combustión interna
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Figura 8. Esquema de un radiador de automóvil para refrigeración del motor
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1 DEFINICIÓN Son los dispositivos que se utilizan para transferir energía de un medio a otro, en la ingeniería, frecuentemente facilitan la transferencia calor de un fluido a otro.
2 CLASIFICACIÓN Los equipos de intercambio calorífico se clasifican de acuerdo a diferentes criterios.
2.1 SEGÚN EL PROCESO DE TRANSFERENCIA
En este tipo de intercambiadores, la transferencia de calor se realiza en ausencia de una pared de separación, es decir, los fluidos se mezclan. Por lo general, ambos fluidos deben poderse separar con facilidad luego de la transferencia de energía.
En estos dispositivos el intercambio de calor ocurre a través de una barrera que evita que los fluidos se mezclen entre sí. En es te tipo de intercambiador el calor se transfiere por conducción mediante la pared de separación y por convección en los fluidos respectivos. Si el flujo de calor inicialmente es almacenado en la superficie del dispositivo para después ser transmitido al fluido frío (flujo de calor intermitente), se dice que el intercambiador de calor es un almacenador o regenerador . No obstante, los intercambiadores de calor más usados a nivel industrial son los recuperadores, es decir aquellos donde existe un flujo de calor contínuo desde el fluido caliente hasta el fluido frío, a través de una delgana pared de separación (Gonzáles, 2002).
2.2 SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN
Son los intercambiadores de calor más básicos y comunes. Como se muestra en la figura 1. Este dispositivo consiste en un conjunto de tubos dentro de un contenedor conocido como coraza o carcasa. Este dispositivo se caracteriza por permitir una amplia diferencia entre las presiones de los fluidos, siendo el fluido
2 de mayor presión aquel que va dentro de los tubos, ya que estos tubos se pueden fabricar con materiales que soporten altas presiones.
Figura 1. Esquema de un intercambiador de calor de coraza y tubos. [1]
Los intercambiadores de calor compactos están compuestos de placas en lugar de tubos, con el fin de separar a los dos fluidos. Es bastante adecuado para gases a baja presión
Figura 2. Partes de un intercambiador de calor compacto. [2]
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2.3 SEGÚN LA DIRECCIÓN DEL FLUJO
Ocurre cuando el flujo de los tubos (interno) y e l flujo de la coraza (externo) fluyen en igual dirección. Ambos entran al dispositivo por el mismo extremo y se transfiere el calor del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, saliendo ambos con temperaturas aproximadas.
En este caso ambos fluidos fluyen en la misma dirección, pero en sentidos opuestos; y ambos fluidos entran al intercambiador por diferentes extremos. Este intercambiador es más eficiente que el anterior.
Figura 3. Esquema de intercambiadores de doble tubo con flujo paralelo y contraflujo. [3]
Para este intercambiador, los fluidos se mueven perpendiculares entre sí, este es el tipo de flujo que se utiliza en los intercambiadores de placas. Si las aletas de placa determinan el movimiento del fluido en una sola dirección, impidiendo que fluya transversalmente se denominará flujo cruzado no mezclado ; pero si el fluido puede moverse transversalmente, se dice que el intercambiador presenta flujo cruzado mezclado . Un ejemplo de intercambiador de calor con flujo cruzado
no mezclado es un radiador de automovil.
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Figura 4. Esquema de un intercambiador de calor con flujo cruzado. [4] Actualmente, la gran mayoría de dispositivos de intercambio calorífico no son netamente de flujo paralelo, contraflujo o flujo cruzado; sino que buscando maximizar la eficiencia del intercambio de calor, realizan combinaciones de los dos o tres tipos de flujo, obviamente siempre considerando las restricciones propias del diseño: tamaño, costo, peso, temperaturas y presiones de operación. (Jaramillo, 2007).
2.4 SEGÚN EL NÚMERO DE INTERCAMBIOS REALIZADOS Si los fluidos de un intercambiador transfieren calor entre sí más de una vez, se conocen como intercambiador de múltiples pasos, mientras que si solo intercambia calor una vez, se denomina intercambiador de un solo paso o de paso simple. Es común encontrar intercambiadores de tubos con dobleces en forma de “U” en los extremos,
permitiendo que el fluido regrese y se incremente el área de transferencia de intercambiador y con ello también se incremente el desempeño del dispositivo.
Figura 5. Esquema de un intercambiador de calor de múltiples pasos. [5] Se aprecian 2 pasos por la coraza y 4 pasos por los tubos.
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2.5 SEGÚN SU REGENERACIÓN Se dice que un intercambiador de calor será regenerativo si es que usa el mismo fluido para calentar y para enfriar, mientras que un intercambiador no-regenerativo usa fluidos separados para enfriar y calentar.
Figura 6. Intercambiador de calor regenerativo. [6] En el intercambiador noregenerativo el fluido para enfriar proviene de un sistema de refrigeración externo.
BIBLIOGRAFÍA [1] Çengel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencia de Calor y masa. Fundamentos y aplicaciones. México: Mc Graw Hill. p.631 [2] Moncada, L. Diseño de plantas de procesos químicos. Intercambiadores de calor. Universidad Nacional de Trujillo, Perú. p.17
[3] Çengel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencia de Calor y masa. Fundamentos y aplicaciones. México: Mc Graw Hill. p.630 [4] Jaramillo, O. (2007). Intercambiadores de calor. Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México. p. 6
[5] Çengel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencia de Calor y masa. Fundamentos y aplicaciones. México: Mc Graw Hill. p.632 [6] Jaramillo, O. (2007). Intercambiadores de calor. Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México. p. 8
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3 APLICACIONES Podemos encontrar intercambiadores de calor en muchos sistemas mecánicos y/o químicos. A menudo estos dispositivos reciben nombres específicos de acuerdo a la aplicación que poseen. Es así, que como intercambiadores de calor tenemos a las , calderas, radiadores, condensadores, etc.
3.1 EL RADIADOR En los motores de combustión interna modernos, entre el 20% y 40% del calor liberado por el combustible es disipado a través del sistema de enfriamiento. (Romero & Carranza, 2007). Este proceso de disipación de calor es realizado por el radiador, el cuál no es más que un intercambiador de calor de flujo cruzado no mezclado que utiliza como fluidos al aire y a un líquido conocido como líquido refrigerante . La aplicación más directa del radiador se encuentra en los automóviles y s istemas de aire acondicionado. En los carros, el líquido de refrigeración fluye a través del motor y recibe el calor despedido por este y lo lleva hacia el radiador. Una vez en el radiador el líquido refrigerante “calentado” fluye a través de tubos que lo enfrían con aire del exterio r. Para
que esto ocurra eficientemente, se tiene que maximizar el área de contacto entre el metal del radiador y el aire del ambiente, ya que el aire es un mal conductor del calor. También se puede utilizar agua en vez de aire, ya que el agua (a 35ºC) presenta un conductividad térmica 23 veces mayor que el aire (Gonzales-Mendizabal, 2002), pero para un automóvil sería mucho más costoso y poco práctico.
3.2 CALDERAS Los generadores de vapor o calderas son intercambiadores donde uno de los fluidos absorbe calor y se vaporiza. Estos dispositivos operan durante largos periodos de tiempo conservando las mismas condiciones que se consideran con dispositivos de flujo estacionario . Son de los intercambiadores más comunes en la industria, el vapor de
agua a altas presiones o agua muy caliente que generan, sirve para accionar turbinas o calentar otros fluidos. En las calderas ocurre el calentamiento, evaporación y de ser posible, un recalentamiendo y sobrecalentamiento del vapor. Para que estos procesos ocurran se requiere de energía en forma de calor, energía que es aportada por la combustión del combustible utilizado para hacer funcionar la caldera.
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3.3 CONDENSADORES Un condensador es un intercambiador de calor en el cual uno de los fluidos se enfría y se condensa conforme fluye a través del dispositivo. (Çengel, 2011). La condensación ocurre utilizando aire, mediante un ventilador, o utilizando agua, a través de una torre de refrigeración cercana a un río o al mar. El propósito de este dispositivo es condensar un vapor después de haber realizado trabajo termodinámico. Por ejemplo: el vapor de escape de una turbina .
Los condensadores también forman parte de los sistemas de aire acondicionado, en el cuál enfrian un fluido hasta el punto de volverlo un líquido subenfriado. Por ejemplo, el sistema de refrigeración de los automóviles está compuesto por el radiador del motor, un condensador, un evaporador y un compresor.
Figura 7. Sistema de refrigeración de un motor de combustión interna. [1] BIBLIOGRAFÍA [1] Motores de combustión interna I. Guía 7 (s.f.). Manual de laboratorios. Universidad Don Bosco, San Salvador . p.1
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4 SELECCIÓN A la hora de seleccionar un intercambiador de calor se deben de tomar en cuenta distintos factores como la presión de operación, la temperatura de operación , el tamaño del intercambiador, la superficie de intercambio calorífico , así como la capacidad de mantenimiento del dispositivo.
A continuación se presentan dos tablas que serviran de apoyo a la hora de decidir entre un intercambiador de tubos y carcaza o uno de placas compactadas.
Temperatura Tipo de
de
intercambiador
operación (ºC)
Presión
Superficie
máxima
de
de
intercambio
operación
de calor
(kPa)
(m2)
Observaciones
Versátil. Independiente Tubo y carcaza
-200 a 700
3500
5 a 1000
del
proceso, temperatura y presión. Limitación del tipo metalúrgico Alta eficiencia térmica. Fácil
Placas
-40 a 250
3000
1 a 1200
accesibilidad
(limpieza
y
mantenimiento). Bajo costo a condiciones no específicas.
Tabla 1. Características de operación de los intercambiadores más comunes. [1] Modificado.
9 Característica
Tubo y Carcaza
Placas
Resistencia
Alta
Baja
Grande
Muy grande
Altos
Bajos
Área de transferencia de calor Costos básicos
Difícil de inspeccionar. Mantenimiento
Limpieza mecánica practicamente imposible. Reparaciones aceptables. Requiere de un espacio
Limitaciones de espacio y
considerable y además de
peso
un espacio amplio de mantenimiento
Completamente accesible para inspección. Limpieza mecánica factible. Fácil reemplazo de todas su partes. Son más ligeras y ocupan poco espacio. No requieren de espacio adicional para mantenimiento.
Tabla 2. Comparación entre los intercambiadores de calor m ás comunes. [1] Modificado.
BIBLIOGRAFÍA [1] González-Mendizabal, D. (2000). Guía de Intercambiadores de Calor: Tipos Generales y Aplicaciones. Universidad Simón Bolívar, Caracas . p.18-19
5 PROCEDIMIENTO BÁSICO DE DISEÑO DE UN RADIADOR Para diseñar un radiador y cualquier intercambiador de calor en sí, el proyecto de diseño debe estar sujeto a ciertas restricciones. 1. Bajo costo de capital 2. Bajo costo de operación 3. Tamaño, forma y peso límites. 4. Facilidad de mantenimiento. Luego de tener en cuenta estas condiciones, si se desea diseñar un radiador (de automóvil), osea un intercambiador de calor agua/aire que disipe el calor recibido por el agua de refrigeración que circula dentro del motor, se debe conocer su disposición.
10 Figura 11. Esquema de un radiador de automóvil para refrigeración del motor. [1] a) conexiones externas, b) detalle de su geometría
Los parámetros a considerar a la hora de diseñar un radiador son los siguientes: a. El calor a evacuar, que deberá ser del mismo orden que la potencia mecánica que proporciona el motor. b. La temperatura de entrada del agua, usualmente es cercana a 100 ºC c. La temperatura de entrada del aire, que por lo general es la temperatura del ambiente 25 ºC d. El tamaño del radiador (figura 11.b), es decir la profundidad L x, altura Lz y la anchura L y; sin embargo, se debe mencionar que estas cantidades son fijadas por el diseñador del automóvil y no por el diseñador del radiador. e. El número de aletas o chapas a utilizar f. El diámetro hidráulico equivalente de los tubos de agua, así como la cantidad de estos tubos. g. La velocidad del aire, que se calcula con ayuda de elementos matemáticas de la mecánica de los fluidos, una vez obtenido el valor de la velocidad, se puede elegir el ventilador a utilizar. Los valores cuantitativos de estos parámetros omitieron, y solo se les hizo mención cualitativamente dado que el cálculo matemático para obtener estos valores es considerablemente engorroso y requiere de un conocimiento teórico previo de conceptos y ecuaciones de la dinámica de los fluidos, tales como el número de Nusselt , tipos de flujo: laminar y turbulento, número de Reynolds , etc.
BIBLIOGRAFÍA [1] Martinez, I. (1992). Termodinámica básica y aplicada. Universidad Politécnica de Madrid .
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6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Jaramillo, O. (2007). Intercambiadores de calor. 20/06/2015, de Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México. Dirección web: www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf 2. Çengel, Y. & Boles, M. (2012). Termodinámica. México: Mc Graw Hill. 3. Çengel, Y. & Ghajar, M. (2011). Transferencai de Calor y masa. Fundamentos y aplicaciones. México: Mc Graw Hill 4. González-Mendizabal, D. (2000). Guía de Intercambiadores de Calor: Tipos Generales y Aplicaciones. Universidad Simón Bolívar, Caracas . 5. Moncada, L. Diseño de plantas de procesos químicos. Intercambiadores de calor. Universidad Nacional de Trujillo, Perú.
6. Romero Piedrahita, C. A., Sánchez, C., & Alberto, Y. (2007). Evaluación de la capacidad térmica de un radiador de calor. Scientia et Technica Año XIII No. 35. 7. Gómez, C. (2011). Apuntes de introducción a los procesos químicos. Universidad de los Andes, Venezuela .
8. Motores de combustión interna I. Guía 7 (s.f.). Manual de laboratorios. 21/06/2015 de
Universidad
Don
Bosco ,
San
Salvador.
Dirección
web:
www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/mecanica-ingenieria/motores-de-combustioninterna/2012/i/guia-7.pdf 9. Martinez, I. (1992). Termodinámica básica y aplicada. Universidad Politécnica de Madrid .
