Intercambiador de calor

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Sección de un intercambiador de calor de tipo haz tubular.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento[1] . Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc.

Tipos de intercambiadores[editar]

La clasificación más común de los intercambiadores es atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Así, se distinguen los siguientes tipos:

  • Intercambiadores de contacto directo. Son aquellos en los que el intercambio de calor se hace por mezcla física de los fluidos. No son muy frecuentes dada la contaminación que supone para uno o para ambos fluidos. Sin embargo, hay veces que esto no importa, como en el caso de la torre de refrigeración, en las que el agua es enfriada por el aire atmosférico en un proceso combinado de transferencia de masa y de calor.
  • Intercambiadores de contacto indirecto. Son aquellos en los que los fluidos no entran en contacto directo, no se mezclan, sino que están separados por un tabique sólido, un espacio o incluso un tiempo. El calor se transmite por convección y conducción a través de la pared separadora. Estos, a su vez, pueden clasificarse:
    • Intercambiadores alternativos. En ellos, ambos fluidos recorren el mismo espacio de forma alternada, de forma que una superficie recibe el calor de un fluido caliente, para secuencialmente, transmitírselo a otro más frío, al contactar con la misma superficie. Existe un cierto contacto entre ambos fluidos, pero puede suponerse despreciable en los casos en los que la contaminación no es determinante. Cuando sí lo es, el uso de estos aparatos es inviable. Son de este tipo, muchos acumuladores y recuperadores de calor.
    • Intercambiadores de superficie. En ellos el proceso de transmisión de calor está invariablemente relacionado con la superficie de un sólido que los separa, de modo que no existe la posibilidad de contacto entre ellos. Son los más utilizados en todo tipo de aplicaciones. Atendiendo a la forma de la superficie separadora, estos intercambiadores pueden ser:
      • Intercambiadores de placas. Son aquellos en los que la superficie de separación entre los fluidos es una pared plana. Son relativamente recientes, pero sus ventajas respecto de los clásicos multitubulares, están desplazando a estos en la mayoría de las aplicaciones.
      • Intercambiadores de tubos. En ellos la separación entre los fluidos es siempre la pared de un tubo cilíndrico, por cuyo interior circula uno de ellos, mientras el otro lo hace por el exterior. Si se atiende a la dirección del flujo de ambos fluidos a través de la superficie, pueden ser:
        • Intercambiadores de flujos cruzados. Cuando las corrientes de los dos fluidos, forman un ángulo entre sí. Son más utilizados para intercambios entre un líquido y un gas.
        • Intercambiadores de flujos paralelos. Cuando las corrientes de ambos fluidos discurren paralelas en la misma dirección. Atendiendo al sentido de circulación, pueden ser:
          • Intercambiadores en equicorriente. Si ambas corrientes circulan en la misma dirección y en el mismo sentido.
          • Intercambiadores en contracorriente. Si las dos corrientes siguen la misma dirección pero sentidos contrarios.

Cálculo de intercambiadores[editar]

El intercambiador más simple y en el que mejor se puede apreciar el intercambio en equicorriente o en contracorriente es el conocido como de «tubo en tubo» o de «tubos concéntricos», que como su nombre indica, consiste en un tubo dentro de otro de mayor diámetro y todo ello con una longitud L. Sin embargo, con este tipo de intercambiador, con potencias no demasiado grandes se requiere una gran longitud para obtener la superficie de intercambio necesaria, por lo que no es demasiado utilizado, salvo para muy pequeñas potencias, en lo que se conoce también como «tuberías de acompañamiento».[2] En la elaboración del vino, teniendo en cuenta las temperaturas a las que se trabaja, normalmente entre 14 y 38 ℃, las potencias de intercambio no suelen ser elevadas y se utilizan también intercambiadores concéntricos, construidos en acero inoxidable y de un tamaño considerable a pesar de la poca potencia.[3]

Sin duda el intercambiador más utilizado durante muchos años y que ha servido de referencia en la teoría de intercambiadores, es el intercambiador multitubular o de «carcasa y tubos».

En los intercambiadores de calor se dan dos tipos de cálculo: el de diseño y el de comprobación. Los cálculos de comprobación se realizan cuando se tiene el intercambiador o se conoce su superficie de intercambio, pero es necesario hallar la cantidad de calor transmitido o las temperaturas finales de los fluidos de trabajo. En este caso, por sencillez y rapidez, se utiliza el método NUT.

El cálculo para diseño de intercambiadores se describe a continuación y consiste en hallar las soluciones simultáneas de las ecuaciones del balance de calor y transmisión de calor, para determinar las dimensiones y formato del aparato.

Distribución de temperatura en intercambiadores

En un intercambiador, las temperaturas de los fluidos se van modificando a medida que recorren la longitud L del aparato, por lo que en cada punto, existe un coeficiente de película distinto y por tanto, un coeficiente global de transmisión distinto. Si representamos en unas coordenadas cartesianas, en el eje de abscisas la longitud L del intercambiador y en el de ordenadas las temperaturas (t), obtenemos la curva de distribución de temperaturas a lo largo del intercambiador, que como se ve en la figura, es una curva logarítmica, por lo que la ecuación de transmisión usada para el cálculo es:

Donde es el coeficiente de transmisión global de la pared, es la superficie de la misma y es la diferencia de temperatura media logarítmica, que se calcula:

En la que y son las diferencias de temperatura a la entrada y a la salida del cambiador, tal como se indica en la figura.

El coeficiente de transmisión se calcula:

Para pared plana

Para pared cilíndrica

en las que y son los coeficientes de película de la pared interior y exterior del tubo interno y y los radios interior y exterior del mismo tubo.

Junto con la ecuación de transmisión se usa el balance de calor, según el cual; el calor cedido por el fluido caliente ha de ser igual al absorbido por el fluido frío:

En la que los subíndices corresponden: entrada, salida, fluido caliente y fluido frío.

Con ambas ecuaciones, conocidas las condiciones de los fluidos a intercambiar, se puede determinar la superficie S de intercambio y con ella la longitud de tubo, de un diámetro determinado, necesaria para la potencia a intercambiar.

En el caso del intercambiador en equicorriente, la temperatura de salida del fluido frío, no puede alcanzar nunca la temperatura de salida del fluido caliente, puesto que siempre es necesaria una diferencia de temperaturas para que el intercambio tenga lugar. Sin embargo, en el intercambiador en contracorriente, el gradiente de temperaturas que se origina como consecuencia de la forma en que se produce el intercambio, permite que la temperatura de salida del fluido frío pueda superar la temperatura de salida del fluido caliente, lo que se traduce a su vez, en mayor intercambio térmico para la misma superficie de intercambio y por tanto, mayor rendimiento. En el gráfico se puede observar esta característica.[4]

Factor de ensuciamiento[editar]

En el cálculo anterior, se ha supuesto que las superficies de los intercambiadores se mantienen limpias, sin embargo, en la práctica es muy frecuente que estas superficies se encuentren contaminadas debido; a la posible suciedad de los propios fluidos, a posibles subproductos formados por envejecimiento o por reacciones químicas entre superficie y fluido, a la corrosión de la superficie o incluso a otros materiales arrastrados por los fluidos como consecuencia de la circulación de los mismos por otras partes de la máquina. En cualquier caso, lo que ocurre es que después de un cierto tiempo de circulación del fluido, acaba por depositarse sobre la superficie de los tubos una película de impurezas, que actúa como aislante térmico y disminuye la cantidad de calor intercambiado.

Esto influye en gran manera en el cálculo del coeficiente global de transmisión de calor, debiendo introducirse en el cálculo una resistencia térmica de ensuciamiento, conocida como factor de ensuciamiento o factor de incrustación[5] . El coeficiente global de transmisión queda entonces:

En la que es el factor de ensuciamiento cuyo valor vendría dado por el cociente entre el espesor de la capa de incrustación y la conductividad del material depositado[6] . En la práctica es difícil estimar este valor y se puede fijar a partir de tablas en las que están tabulados los valores correspondientes a los fluidos más utilizados. Actualmente, para dar solución a estos problemas y aumentar el rendimiento, se diseñan los llamados intercambiadores dinámicos de superficie rascada.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. V. Isachenko & V. Osipova & A. Sukomel. Transmisión del calor. Boixerau Editores. p. 527. 
  2. En algunas industrias, principalmente la alimentaria, se manipulan productos; como las grasas y las melazas, que por su viscosidad es preciso mantenerles calientes para que fluyan por las tuberías. Las tuberías que unen los depósitos de almacenamiento con los puntos de dosificación del producto son intercambiadores de tubos concéntricos. Por el tubo interior circula el producto a dosificar y por el espacio anular entre el interior y el exterior se hace circular agua caliente o vapor, de forma que el producto mantenga una temperatura mínima.
  3. A.López. Las instalaciones frigoríficas en las bodegas. A. Madrid Vicente Ediciones. ISBN 84-87440-15-0. 
  4. Cuando uno de los fluidos cambia de estado a su paso por el intercambiador,como en evaporadores y condensadores, su temperatura permanece constante y entonces, es indiferente el sentido del flujo. En este caso equicorriente y contracorriente tienen la misma efectividad
  5. Edwuard G.Pita.Principios y sistemas de refrigeración.Noriega Editores.isbn 968-18-3969-2
  6. Cuando los dos fluidos son susceptibles de depositar incrustaciones, la capa de suciedad puede depositarse a ambos lados de la superficie de intercambio, en cuyo caso habría que considerar las dos resistencias térmicas

Bibliografía[editar]

  • William H. McAdams (1964), Transmisión de Calor. Ediciones del Castillo S.A.
  • Frank Kreith & Mark S. Bohn (2001), Principio de Transferencia de calor. Thomson Editores. ISBN 84-9732-061-1.
  • V. Isachenko & V.Osipova & A.Sukomel, Transmisión de calor. Boixerau Editores. ISBN 84-267-0239-2.