Tipos de intercambiadores de calor según su flujo Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.
Flujo paralelo. Como se ilustra en la figura (3), existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcaza, ambos fluyen en la misma dirección. Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
Figure 3: Intercambiador de calor de flujo paralelo.
Contraflujo Como se ilustra en la figura (4), se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente. En contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el intercambiador
Figure 4: Intercambiador de Contraflujo
Flujo cruzado En la figura (5) se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos faces bifásico. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.
Figure 5: Intercambiador de calor de flujo cruzado. Un caso particular, que constituye una variante en los anteriores, se produce cuando uno de los fluidos cambia de estado a raíz del intercambio de calor; los gráficos temperaturas de las figuras c y d corresponden, respectivamente, a condensación del fluido calefactor y evaporación del calentado; en cada caso, las correspondientes temperaturas permanecen constantes, no interesando que la circulación sea en corriente o en contracorriente.
NUMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA (NUT) En algunas circunstancias cuando es dificil determinar la temperatura de uno de los fluidos, se hace necesario recurrir a métodos de tanteo iterativo. Existe otro procedimiento que permite averiguar la temperatura sin recurrir al tanteo iterarivo y que corresponde al denominado Método de efectividad o Número de Unidades de Transferencia Nut ,para este fin se define efectividad como:
El flujo real para un intercambiador de calor es
A objeto de determinar el máximo flujo de calor que podría transferirse, se considera el intercambiador de calor en contracorriente; la diferencia máxima de temperaturas corresponde a la diferencia de temperaturas con que entran ambos fluidos al intercambiador. Además el fluido que experimenta la diferencia máxima de temperaturas es aquél que posee un valor de calor específico menor entre ambos fluidos. Por consiguiente, el máximo flujo de calor que puede transferirse está dado para un intercambiador por:
i) Para un intercambiador de calor en flujos en paralelo en que el fluido caliente o frío tienen calor es pecífico menor
Además para el fluido frio se cumple:
ii) En forma semejante para un intercambiador de calor con flujo en contracorriente en que el fluido caliente o el fluido frio tienen el calor específico menor, se cumple:
Además para el fluido frio se cumple:
Observación: las efectividades caloríficas están relacionadas entre sí a través del cociente Cp tal que se cumple:
La efectividad de un intercambiador de calor es una efectividad para transferir calor y no una efectividad de temperaturas. Este parámetro depende del tamaño del intercambiador de calor, área de transferencia, resistencia térmica entre ambos fluidos y calores específicos de los mismos. Estas variables se agrupan en forma adimensional a través del Número de Unidades de Transferencia de calor en el intercambiador, esto es, Nut
Es conveniente establecer una relación entre la efectividad Ɛ, el Número de unidades de transferencia Nut y el cociente de calores específicos Cp. Una ventaja de este tipo de correlación evidencia que para una geometría dada de intercambiador de calor en la que se conocen los flujos de masa de cada fluido, los calores específicos, el área, y el coeficiente global de transferencia de calor, las temperaturas de los fluidos a la descarga de éste podrían obtenerse fácilmente conociendo solamente las de entrada, evitando el recurrir a procedimientos de tanteo iterativo. i) Para un intercambiador de calor con flujo en paralelo, se cumple:
La figura siguiente muestra la ecuación anterior en forma gráfica:
ii) Para un intercambiador de calor con flujo en contracorriente, se cumple:
La figura siguiente muestra la ecuación anterior en forma gráfica:
Ecuaciones similares pueden desarrollarse para otros tipos de flujos, como puede ser una mezcla de los anteriores desarrollados.