UNIDAD 4 INTERCAMBIADORES DE CALOR

4.1 Coeficiente global de transferencia de calor.

La temperatura superficial o los flujos de calor no son especificados para los intercambiadores de calor. Esta complicación es resuelta mediante la utilización del Coeficiente Global de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos de la resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo.

De manera que podemos escribir que:

Donde 0 U , designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al área externa, y de igual forma, i U se refiere al coeficiente global de transferencia de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza radialmente.

En la tabla siguiente se muestra valores típicos del coeficiente global

de Transferencia de calor, U Situación Física U [W /m2k]

figura 4.1 tabla de combinación de fluidos

Factores de impureza representativos:

Fig 4.2 factores de impureza

La cantidad η0 se denomina eficiencia superficial global efectiva de la temperatura de una superficie con aletas. Se define de modo que, la transferencia de calor es:

Con:

Si se emplea una aleta recta o de alfiler de longitud L, y se supone extremo adiabático:

donde m = (2h/kt)1/2 y t el espesor de la aleta.

4.2 Factores de suciedad.

Las superficies de transferencia de calor de un intercambiador de calor pueden llegar a recubrirse con varios depósitos presentes en las corrientes o las superficies pueden corroerse como resultado de la interacción entre los fluidos y el material empleado en la fabricación y diseño del intercambiador.

El efecto global se representa generalmente mediante un factor de suciedad o resistencia de suciedad, Rf. Que debe incluirse junto con las otras resistencias térmicas para obtener el coeficiente global de transferencia de calor.

Los factores de suciedad se tienen que obtener experimentalmente, la determinación de los valores de “U” del intercambiador de calor, tanto en condiciones de limpieza como en suciedad.

Fig. 4.3 factores de depreciacionpor suciedad

El factor de suciedad queda definido entonces como:

Rf: 1/Sucio – 1/Limpio

Se debería destacar que el valor de “U” viene determinado en muchos casos por solo uno de los coeficientes de transferencia de calor por convección. En la mayoría de los problemas prácticos la resistencia a la conducción es pequeña comparada con la resistencia a la convección. Si uno de los valores de “h” es notablemente mas bajo que otro tenderá a dominar en la ecuación de “U” donde:

Ui: Coeficiente global de transferencia de calor interna.

Ue: Coeficiente global de transferencia de calor externa.

Ui 1 + Ai.Ln(re/ri) + Ai . 1

hi 2kL Ae . he

Ue 1

Ae. 1 + Ae.Ln(re/ri) + 1

Ai . hi 2kL he

Donde,

hi: Nu.K he: 1.32 T 1/4

d d ¼

Fig. 4.4 formula de los factores de suciedad

4.3 Tipos de intercambiadores de calor.

Estos son dispositivos que facilitan la transferencia de calor de una corriente de fluido a otra. Los procesos de producción de energía, refrigeración, calefacción y acondicionamiento de aire, elaboración de alimentos, elaboración de productor químicos, y el funcionamiento de casi todos los vehículos dependen de diversos tipos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores se clasifican normalmente de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción.

Intercambiador de calor de tubos concéntricos. Flujo paralelo. Contraflujo.

. fig. 4.5 Intercambiador de calor de tubos concéntricos.

Intercambiador de calor de tubos y coraza. Con un paso por la coraza y un paso por los tubos (modo de operación contraflujo cruzado).

Fig. 4.6 Intercambiador de calor de tubos y coraza.

4.4 Temperatura media logarítmica.

Los intercambiadores de calor son dispositivos que sirven para calentar o enfriar un fluido , mediante el intercambio de calor que se realiza entre dos o más fluidos separados entre sí por una superficie sólida transmisora de calor. Dentro de estos intercambiadores de calor uno de los tipos más sencillos y fáciles de estudiar experimentalmente está constituido por los intercambiadores de calor en serie o en paralelo, de paso simple.

La ecuación general que gobierna la transferencia de calor entre el fluido de mayor temperatura y el de menor temperatura es la siguiente:

Q = U A ðT ML

Donde:

U: Coeficiente total de transferencia de calor basado en el área exterior A de la tubería de menor diámetro.

Q: Velocidad de transferencia de calor entre el fluído más caliente y el más frío.

ðTML: Diferencia media logarítmica entre los fluídos en circulación.

ðT ML = ( Tmax - T min )/ [ Ln ( Tmax / Tmin)]

Fig. 4.7 esquema de la evaluación de los fluidos

El término diferencia media logarítmica de temperatura se presenta debido a que la temperatura de uno de los dos fluidos en consideración varía de acuerdo con su recorrido en la dirección de flujo. A través de una longitud L, en un punto donde L = 0 existirá un T entre los dos fluidos y en un punto donde L = L existirá otra T realizándose la medición de L en el sentido del flujo de uno de los dos fluidos. Indiferente del sentido recorrido , Tmax. Será el T mayor y el T min. Será el T menor en cada uno de los puntos citados.

Entre los fluidos en circulación se cumplirá la ley de conservación de la energía, de tal modo que el calor cedido por uno de ellos al enfriarse, será tomado por otro al calentarse . Considerando por ejemplo, que el fluido que circula por la tubería interior varía su temperatura durante el intercambio de calor, se podrá calcular la velocidad de transferencia de calor, si se conoce la cantidad de masa de fluido que circula durante un tiempo determinado, su calor específico promedio y las temperaturas iniciales y finales. Si además mediante el uso de termocuplas determinamos las temperaturas de los dos fluidos al comienzo y al final de la longitud de recorrido en estudio y medimos el área total de transferencia de calor correspondiente a dicha longitud , podemos calcular el valor del coeficiente total de transferencia de calor, que será la única incógnita de la ecuación de transferencia de calor. Esto podemos repetir para diversas situaciones experimentales y tendremos oportunidad de obtener las variaciones del coeficiente total de transferencia de calor en relación con las variables que deseamos estudiar.

Fig 4.8 intercambiador de temperatura

4.5 Método del NUT (número de unidades de transferencia)-rendimiento.

Se usa para calcular la velocidad de transmisión de calor en Intercambiadores de calor (especialmente en contracorriente) cuando no hay información suficiente para calcular la Diferencia de Temperaturas Media Logarítmica (DTML).

Fig 4.9 El caudal masico y el calor especıfico influyen sobre la variacion de la temperatura.

4.6 Intercambiadores de calor compactos.

Este es un grupo de intercambiadores desarrollados con el objetivo de disminuir el volumen de los equipos.

Uno de los más utilizados es el de tipo placa:

Fig. 4.10 tipos de placas

Fig. 4.11 Intercambiador de un paso

4.7 Análisis de propiedades en los intercambiadores de calor.

Para el diseño térmico de un Intercambiador de Calor se hace un balance de calor entre los fluidos calientes y fríos sobre la superficie de intercambio térmico:

Fig. 4.12 diseño térmico de un intercambio de calor

En un caso sin cambio de fases:

Además si consideramos la ley de enfriamiento de Newton:

La diferencia media de temperatura Δtm correcta se debe determinar.

Intercambiador de calor en flujo paralelo.

•En este caso el fluido frío y el fluido caliente circulan en la misma dirección, así ΔTmes grande al comienzo y disminuye con x. En este Intercambiadorde calor la temperatura de salida del fluido frío nunca excede la temperatura de salida del fluido caliente.

Fig. 4.13 Flujo paralelo

4.8 Consideraciones sobre el diseño y la evaluación de intercambiadores de calor.

Las fases a seguir en el diseño de un intercambiador de calor son:

1.- Comprobar el BALANCE DE ENERGÍA, hemos de conocer las

condiciones del procesamiento, caudales, temperaturas, presiones,

propiedades físicas de los fluidos,...

2.- Asignar las corrientes al tubo y casco.

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 perdidas de presión en el lado del tubo y re calcular el número de pasos para cumplir con las perdidas de presión admisibles.

11.- Asumir la separación entre desviadores y el área de paso para conseguir la perdida de presión en casco admisible.

12.- Re calcular los coeficientes de película en el lado del tubo y del casco utilizando las velocidades másicas disponibles.

13.- Re calcular 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.

Fig. 4.14 recuperador de calor

Fig. 4.15 Esquema de un intercambiador de calor de tubo y carcasa con un paso por la carcasa y un paso por los tubos

4.9 Variación de análisis de propiedades térmicas.

Los aceros de uso en recipientes de presión en general presentan una microestructura no homogénea a lo largo del espesor de su pared debido al proceso de su fabricación. Esto se ve agravado porque los espesores típicos son del orden de los 200-250 mm. Lo expuesto nos conduce a que en distintas partes del mismo varíen no sólo su microestructura sino también sus propiedades mecánicas. Por lo tanto, deben estandarizarse los métodos de evaluación del material antes de su uso en condición no irradiada y en su posterior irradiación a través de programas de vigilancia que nos permiten verificar el estado del acero del recipiente de presión colocando probetas tipo charpy-v, tracción y fractomecánicas dentro del reactor que serán evaluadas y nos darán información del estado en que se encuentra el material del recipiente. Para analizar estos cambios se realizaron ensayos con probetas charpy-v tomadas con distintas orientaciones dentro del bloque representativo del espesor de pared y se construyó para cada dirección sus respectivas curvas de transición ductil-frágil. Las orientaciones a tomar serán 4 en total y son las denominadas por la norma ASTM E-399 (1993) como TL, LT, ST y LS. Las conclusiones a las que se arribo surgen de un análisis comparativo de los resultados obtenidos para cada orientación estudiada y se confirma lo recomendado por las normas en cuanto a la selección de la orientación TL como la más conservativa.

Fig. 4.16 análisis térmico