7. INTERCAMBIADORES DE CALOR Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para extraer calor de un fluido que esta mas caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que esta menos caliente y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa a ambos fluidos.Un intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. 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 intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
Formas de intercambiar calor Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo Transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo Transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el fluido exterior.
7.1 CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADORES DE CALOR TIPOS SEGÚN SU CONSTRUCCION Carcasa y tubo: Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo.
Plato: Consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y frío. Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas.
TIPOS SEGÚN SU OPERACIÓN Flujo paralelo: 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.
Contraflujo: Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto.
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 fases bifásico.
Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiple pasos:
Figura 6: Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiple paso.
Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiples pasos. Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. En la figura (6) se muestra un ejemplo de estos intercambiadores.
TIPOS SEGÚN SU FUNCIÓN EN UN SISTEMA • Intercambiador regenerativo. • Intercambiador no-regenerativo.
Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frío es el mismo) como se muestra en la figura (7). Esto es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Es importante recordar que el término "regenerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador.
Figura 7: Intercambiador regenerativo e Intercambiador no-regenerativo.
GRADO DE CONTACTO ENTRE LOS FLUIDOS INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO También conocidos como cambiadores de mezcla, son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa, realizándose, como consecuencia, la transferencia energética entre ellos. Pertenecen a este grupo, entre otros tipos de cambiadores, las denominadas torres de refrigeración o torres húmedas, así como los enfriadores de gases.
INTERCAMBIADORES DE CONTACTO INDIRECTO. Estos pueden a su vez dividirse en alternativos y de superficie.
Intercambiadores alternativos
En cuanto a los intercambiadores alternativos, ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, sin coincidencia entre ellos, de forma tal que la mezcla física de ambos fluidos puede considerarse despreciable. El elemento fundamental de este subgrupo de cambiadores es la superficie que alternativamente recibe y cede la energía térmica.
Intercambiadores de superficie Se denominan intercambiadores de superficie a aquellos equipos o dispositivos en los que la transferencia térmica se realiza a través de una superficie, plana o cilíndrica, que separa físicamente las corrientes de ambos fluidos, no existiendo por tanto ninguna posibilidad de contacto directo o contaminación entre dichos fluidos, salvo en el caso de rotura de la antedicha superficie de separación.
INTERCAMBIADORES DE TUBERÍA DOBLE Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos. Se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.
INTERCAMBIADORES ENFRIADOS POR AIRE Consiste en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser forzada por ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el área de transferencia de calor. Pueden ser de 40 ft (12m) de largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5 m), para su selección se considera el factor económico.
INTERCAMBIADORES DE TIPO PLACA Pueden ser de diferentes tipos: De tipo placa y armazón similares a un filtro prensa. De aleta de placa con soldadura Por la construcción están limitados a presiones pequeñas.
INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO Son los más ampliamente utilizados en la industria química y con las consideraciones de diseño mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos pequeños colocados en el interior de un casco de mayor diámetro. Las consideraciones de diseño están estandarizadas por The Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA)
7.2 EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR Para calcular el coeficiente global de transmisión de calor es necesario conocer el espesor (e) y la conductividad del material (k) que separa a ambos fluidos y determinar los coeficientes individuales de transmisión de calor (hc y hf) para el fluido caliente y frio, respectivamente. Para ello se utilizan correlaciones empíricas que relacionan el coeficiente de transmisión de calor con las propiedades físicas y fluido dinámicas de ambos fluidos. A continuación se muestran algunas correlaciones empíricas para el cálculo del número de Nusselt. Los coeficientes individuales de transmisión de calor se calculan a partir del Nusselt. Dónde:
Nu: Nusselt Re: Reynolds K: conductividad térmica del fluido V: velocidad del fluido (m.s-1) L: longitud del tubo (m) P: densidad del fluido (Kg.m-3)
Pr: Prandt Cp: calor especifico del fluido (J.kg-1.K-1) (J.m-1.K-1.s-1) : viscosidad del fluido (Kg.m-1.s-1) D: diámetro del tubo (m) h:(J.m-2.K-1.s-1)
1.
Flujo laminar en tubos
2.
Régimen de transición de flujo en tubos
3.
Flujo turbulento en tubo.
4.
Flujo en la sección anular para régimen laminar y de transición.
5.
Flujo turbulento en la sección anular.
Teniendo en cuenta que se considera regimen laminar hasta 2.100, turbulento a partir de 10.000 régimen de transición entre ambos valores.
7.3 FACTORES DE SUCIEDAD
Ensuciamiento químico, en el que cambios químicos en el fluido causan que se deposite una capa de ensuciamiento sobre la superficie (interna o externa) de los tubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la expansión en una olla o caldera causados por el depósito de sales de calcio en los elementos de calentamiento conforme la solubilidad de las sales disminuye al aumentar la temperatura. Este tipo está fuera del control del diseñador de intercambiadores de calor pero puede ser minimizado controlando cuidadosamente la temperatura del tubo en contacto con el fluido. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado mediante tratamiento químico o procesos mecánicos (cepillos de acero, taladros o incluso pistolas de agua a alta presión en algunos casos).
Ensuciamiento biológico, causado por el crecimiento de organismos en el fluido que se depositan en la superficie. Esté tipo también está fuera del control del diseñador del intercambiador pero puede verse influido por la elección de los materiales ya que algunos, notablemente los latones no ferrosos, son venenosos para algunos organismos. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado mediante tratamiento químico o procesos mecánicos abrasivos.
Ensuciamiento por depósito, en el que las partículas en el fluido se acumulan en la superficie cuando la velocidad cae por debajo de cierto nivel crítico. Esto está en gran medida bajo el control del diseñador ya que la velocidad crítica de cualquier combinación fluido/partícula puede ser calculada para permitir un diseño en el que la velocidad mínima sea siempre mayor que la crítica. Montar el intercambiador de calor verticalmente también puede minimizar los efectos ya que la gravedad tiende a llevar las partículas fuera del intercambiador fuera de la superficie de intercambio térmico. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado mediante procesos de cepillado mecánico.
Ensuciamiento por corrosión , en el que una capa producto de la corrosión se acumula en la superficie del tubo, formando una capa extra, normalmente de material con un alto nivel de resistencia térmica. Mediante la elección adecuada de los materiales de construcción los efectos pueden ser minimizados ya que existe a disposición del fabricante de intercambiadores un amplio rango de materiales resistentes a la corrosión basados en acero inoxidable.
7.4 METODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARITMICA DE TEMPERATURA. Un intercambiador de calor es cualquier dispositivo que facilita la transmisión de calor entre dos fluidos. El caso más sencillo es el de tubos concéntricos, en los cuales se dice que hay circulación en contracorriente cuando los dos fluidos se desplazan en sentido contrario, o circulación en paralelo, cuando lo hacen en el mismo sentido. En ellos, la temperatura de cada fluido varía constantemente con la posición, de modo que también lo hace la diferencia de temperaturas entre ambos. Si la circulación es en corrientes paralelas, las temperaturas de los dos fluidos se aproximan, si bien en todo momento la temperatura del fluido caliente es siempre superior a las del frío. Si la circulación es en contracorriente, la variación de la diferencia de temperatura es menos acusada, siendo posible que el líquido caliente salga del intercambiador a una temperatura inferior a la de salida del líquido frío. Esta posibilidad permite extraer, por tanto, una mayor cantidad de calor del fluido caliente cando la circulación es en contracorriente.
En ambos casos, la velocidad de flujo de calor depende de una diferencia de temperaturas no constante, por lo que es necesario calcular el valor medio de la misma. Si se considera que el intercambiador es adiabático, es decir, que no hay pérdidas de calor al exterior ni tampoco cesión por parte de éste, que la cantidad de calor cedida por el fluido caliente, la ganada por el frío y la intercambiada por ambos son iguales, que el régimen de circulación es estacionario, que no hay cambio de fase, y que las capacidades caloríficas de ambos fluidos así como el coeficiente global son constantes, entonces puede hacerse la siguiente deducción.
Sea un elemento de superficie del intercambiador de área "dA", a través del cual se transmite una cantidad de calor en la unidad de tiempo. En el contacto con dicho elemento de superficie el fluido caliente cede una cantidad de calor:
(8.7) y el fluido frío recibe una cantidad de calor:
(8.8)
Siendo ambas iguales a la cantidad de calor intercambiada:
(8.9)
Donde U es el coeficiente global de transmisión de calor y la diferencia de temperatura entre los dos fluidos cuando se ponen en contacto a través del área dA. De as ecuaciones (8.7) y (8.8) se deduce que:
Como se cumple que
, resulta que:
(8.11)
De la combinación de (8.9) y de (8.11), se obtiene:
(8.12)
La cual, integrada para todo el cambiador, proporciona la siguiente:
en la que e son las diferencias de temperaturas entre los dos fluidos en los extremos del cambiador, y A el área total del mismo.
Por otra parte, por integración del ecuación (8.11) se obtiene: combinarla con la (8.13), nos proporciona la siguiente:
, la cual, al
(8.14)
7.5 METODO DE LA EFECTIVIDAD Existen diversos criterios para evaluar el correcto funcionamiento de un intercambiador de calor. La aproximación de la LMTD para el análisis de cambiadores de calor, es útil cuando las temperaturas de entrada y salida son conocidas o se pueden determinar con facilidad. En estos casos, la LMTD se calcula fácilmente, y el flujo de calor, el área de la superficie, o el coeficiente global de transferencia de calor pueden determinarse. Cuando hay que evaluar las temperaturas de entrada o salida de un cambiador determinado, el análisis supone con frecuencia un procedimiento iterativo, debido a la función logarítmica que aparece en la LMTD. En estos casos, el análisis se efectúa con mayor facilidad utilizando un método basado en el rendimiento o efectividad del intercambiador de calor durante la transferencia de una cantidad de calor determinada. El método de la efectividad también ofrece muchas ventajas para el análisis de problemas en los que hay que comparar varios tipos de intercambiadores de calor, con el fin de seleccionar el tipo más adecuado para cubrir un objetivo de transferencia de calor en particular. La efectividad compara la velocidad de transferencia térmica real, que es la absorbida por el fluido que se calienta, con la velocidad de transferencia térmica máxima que podría transmitirse en un intercambiador en contracorriente de superficie de intercambio infinita, cuyos límites viene impuestos por el Segundo Principio de la Termodinámica, que tiene en cuenta los focos térmicos a las temperaturasextremas TF1 (foco frío) y TC1 (foco caliente).
7.6 ANALISIS Y DISEÑO DE INTERCAMBIADORES El primer paso es delimitar el problema tanto como sea posible inicialmente, esto es, definir para las corrientes: caudales, presiones, temperaturas, propiedades físicas, fouling, pérdidas de presión admisibles, etc. Luego se procede a seleccionar valores tentativos para los parámetros más importantes de diseño, tales como longitud y diámetro de los tubos (teniendo en cuenta las pérdidas de presión y las vibraciones que se producirán), el arreglo del banco de tubos, el espaciamiento entre deflectores, la cantidad de pasos y cantidad de carcasas en serie. Con estas dimensiones, se tiene el valor de un área inicial supuesta. Con estos valores se efectúa la evaluación térmica del intercambiador, dando como resultado un valor del coeficiente global de transferencia de calor. Este puede obtenerse mediante la combinación de correlaciones que dependen de los parámetros seleccionados. Con este valor, se procede a calcular un nuevo valor de área requerida. El procedimiento es más preciso en la medida que lo es el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor. Este es un valor que depende del coeficiente de transferencia de calor por convección en el interior y exterior de los tubos, que a su vez de las propiedades de los fluidos. Si bien la definición de dichos coeficientes en el lado de los tubos es bastante precisa con las correlaciones actuales, no lo es tanto para el lado de la carcasa. En general, puede enumerarse una serie de pasos, como sigue: 1.- Comprobar el balance de energía, se deben de conocer las condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones, propiedades físicas de los fluidos. 2.- Asignar las corrientes al tubo y carcasa. 3.- Dibujar los diagramas térmicos. 4.- Determinar el número de intercambiadores en serie. 5.- Calcular los valores corregidos de la diferencia media de temperaturas (MTD). 6.- Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos. 7.- Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes globales de transmisión de Calor 8.- Calcular la superficie de intercambio estimada. 9.- Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en tubo). 10.- Calcular las pérdidas de presión en el lado del tubo y recalcular el número de pasos para cumplir con las pérdidas de presión admisibles. 11.- Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para conseguir la pérdida de presión en casco admisible. 12.- Recalcular los coeficientes de película en el lado del tubo y del casco utilizando las velocidades másicas disponibles. 13.- Recalcular los coeficientes globales de transmisión de calor y comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio. 14.- Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados de tamaño de carcasa y repetir las etapas 9-13.
Métodos Integrales La dificultad para integrar en las correlaciones obtenidas en los bancos de tubos y el flujo generado en la carcasa de un intercambiador con deflectores impulsó el desarrollo de "métodos integrales" para el cálculo de la transferencia de calor y pérdida de carga en el lado carcasa.3
El método Donohue (1949) El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se basaba por primera vez en el área de flujo disponible que se calculaba como una media geométrica entre el área mínima de paso entre deflectores (área transversal) y el área de paso disponible en el deflector (área longitudinal). Sin embargo, no tenía en cuenta el efecto de las diferentes configuraciones de los tubos. Para el cálculo de la pérdida de carga se proponía la utilización de las curvas de factor de fricción obtenidas por Colburn con un factor de seguridad elevado. Por primera vez se consideró el efecto de la ventana del deflector, considerando esta ventana como un orificio con un coeficiente de descarga de 0.7. Este método, aunque muy simple de utilizar, proporciona unos resultados poco precisos, debido básicamente a que las correlaciones se obtuvieron con intercambiadores pequeños con geometrías nada estándares.
Método Tinker Al final de los años 40, al mism o tiempo que aparecían los métodos integrales, se hacía e vidente que el flujo que se establecía en carcasa era complejo y con una gran dependencia de la geometría de construcción del intercambiador. A ello contribuyeron las primeras visualizaciones del flujo que se obtuvieron a finales de los años 40 y principios de los 50. Se observó que solo una parte del fluido seguía el camino "correcto" a través del haz de tubos, el resto pasaba a través de áreas de fuga (entre tubo y deflector, entre deflector y carcasa y entre el haz de tubos y la carcasa). Estas áreas de flujo son inevitables en la construcción y montaje del intercambiador y determinan los flujos que se establecen en carcasa. Un método basado en correlaciones de flujo a través de un banco de tubos ideal o un método integral difícilmente puede incorporar toda la información de los diferentes flujos que se establecen en carcasa y como consecuencia de ello, dependiendo del tipo de construcción, los errores al aplicar los métodos pueden variar considerablemente. El método analítico recibe este nombre porque en cada intercambiador se lleva a cabo un análisis del flujo establecido en la carcasa. El primer análisis del flujo establecido en la carcasa fue realizado por Tinker (1951) que propuso el siguiente modelo de flujo. La pérdida de carga que experimenta la corriente principal (B) al pasar de un espaciado entre deflectores al siguiente actúa como fuerza impulsora para las otras corrientes forzando a parte del fluido a pasar por las áreas de fuga. La repartición de caudales entre las diferentes corrientes dependerá de la resistencia al flujo que encuentre el fluido al pasar por cada uno de los caminos, teniendo en cuenta que la pérdida de carga ha de ser la misma para todas las corrientes. Una vez obtenido el caudal de la corriente B se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor aplicando una correlación de flujo cruzado en un banco de tubos ideal. Este método suponía un gran avance en la interpretación en la aproximación a la realidad del flujo establecido en la carcasa, sin embargo, paso desapercibido por la gran dificultad de cálculo que entrañaba teniendo en cuenta las posibilidades de computación de la época, Debido a que el proceso de cálculo era un proceso iterativo muy laborioso para realizarlo a mano. No fue hasta principios de los años 70, con la posibilidad de utilizar computadores personales para realizar los cálculos, que se pudo aprovechar el potencial del método desarrollado por Tinker.
El método Kern (1950) Este método ha sido adoptado como un estándar por la industria durante muchos años. Las correlaciones para el cálculo de la transferencia de calor y la pérdida de carga se obtuvieron de intercambiadores estándar con un corte de deflector del 25 % (una decisión acertada porque en la mayoría de los casos es el mejor diseño). La predicción de la transferencia de calor varía entre ligeramente insegura (valor superior al real) y muy segura (valor inferior al real). Mientras que las predicciones de la pérdida de carga se sitúan en el lado de seguridad con errores superiores al 100 %. En régimen laminar los errores todavía son grandes debido a la poca información disponible en el momento que se elaboró el método. Si bien los resultados obtenidos por el método Kern no presentaron una gran mejora respecto a las correlaciones existentes, el mérito del éxito obtenido se encuentra en el hecho de haber presentado un método global de diseño, presentando además varios ejemplos de cálculo. Es evidente que no puede ser utilizado como un método de diseño porque la sobrestimación de la pérdida de carga puede llevar a diseños conservadores, con una gran separación de deflectores o con diámetros de carcasa superiores, y por consiguiente con coeficientes de transferencia de calor bajos. Sin embargo, todavía se sigue utilizando en la industria para comprobar el funcionamiento térmico de los intercambiadores.
Método de Bell-Delaware El método Bell-Delaware propone calcular el coeficiente de transferencia de calor del lado carcasa utilizando las correlaciones obtenidas para flujo en un banco de tubos considerando que todo el caudal que circula por la carcasa atraviesa el banco de tubos. Posteriormente este coeficiente ideal de flujo cruzado se corrige por una serie de factores para tener en cuenta las fugas que se producen. La pérdida de carga en el lado carcasa se calcula como suma de las pérdidas de carga para flujo cruzado ideal y de la pérdida de carga en la zona de la ventana. Los errores de este método pueden ser del 40 % en pérdida de carga y normalmente predicen pérdidas de carga mayores a las reales. El error en el coeficiente de transferencia de calor es alrededor del 25%. La diferencia con respecto al método analítico propuesto por Tinker reside en que no establece interacción entre los efectos de las corrientes de fuga. Con el desarrollo y la extensión de las computadoras se desarrollaron los primeros programas de cálculo de intercambiadores que se basaron en el método analítico propuesto por Tinker conocido como "análisis de corrientes". En los cálculos realizados a mano se continuó y continúa utilizando el método de Bell-Delaware. No obstante Willis y Johnston (1984) propusieron una vía alternativa, intermedia entre los dos métodos, presentando una versión simplificada del método de análisis de corrientes. Este método, adoptado por Engineering Sciences Data Unit (1983), propone que ciertos coeficientes característicos del método relacionados con la resistencia al flujo son constantes e independientes del caudal, es decir, solo dependen de la geometría del sistema. Este último método con respecto al método de Bell-Delaware presenta una mayor aproximación a la realidad respecto a la interacción entre las corrientes. Aunque el proceso de cálculo es más laborioso por las necesarias iteraciones, por un lado esto se ve compensado por la presentación de los coeficientes mediante ecuaciones, lo cual permite la completa programación del método, y por otro lado el proceso de iteración no presenta ninguna dificultad si se utiliza un programa de cálculo. El método Kern es recomendable solo para proporcionar un estimado o valores de inicio para una iteración con otro método, que pudiera ser el Bell-Delaware o el Wills-Johnson el cual es más preciso y solo requiere poco cálculos adicionales. El uso del software especializado ayuda en gran medida a mejorar los procesos de diseño de los intercambiadores de calor en todas sus etapas, sobre todos cuando se necesita realizar cálculos iterativos, proporcionando además de mayor precisión, un tiempo de cálculo en el proceso de diseño mucho más corto.
Paralelamente, estos métodos de cálculo se van nutriendo de las nuevas correlaciones desarrolladas por los investigadores, cuyo trabajo a su vez es facilitado por las ventajas computacionales de la actualidad.
